KR101451843B1 - System and process for gas sweetening - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 황화수소를 포함하는 산성 가스 스트림으로부터 황화수소를 제거하는 방법으로서, 변환기 내에서 상기 산성 가스 스트림을 수계 촉매 용액과 접촉시킴으로써 황화수소를 산화시키고, 그 결과 탈황된 가스 스트림과, 환원된 촉매 및 원소 상태의 황을 포함하는 액체 스트림을 제조하는 단계; 산화제와, 상기 환원된 촉매 및 원소 상태의 황을 포함하는 액체 스트림을 고전단 장치에 도입하여, 분산되어 있는 상기 산화제 가스의 평균 기포 직경이 약 5㎛ 미만인 분산물을 제조하는 단계; 상기 분산물을 용기 내에 도입하고, 상기 용기로부터 황 함유 슬러리를 제거하고, 재생되는 촉매 스트림을 제거하는 단계, 여기서 상기 황 함유 슬러리는 원소 상태의 황 및 수계 액체를 포함함; 및 상기 재생된 촉매 스트림의 적어도 일부를 상기 변환기로 재순환시키는 단계를 포함하는 황화수소의 제거 방법에 관한 것이다. 또한, 상기 방법을 수행하기 위한 장치의 시스템이 제공된다.The present invention relates to a process for removing hydrogen sulphide from an acidic gas stream comprising hydrogen sulfide comprising the steps of oxidizing the hydrogen sulphide by contacting said acidic gas stream with an aqueous catalyst solution in a converter, Producing a liquid stream comprising elemental sulfur; Introducing a liquid stream comprising an oxidizing agent and the reduced catalyst and elemental sulfur into a high shear apparatus to produce a dispersion having an average cell diameter of the dispersed oxidant gas of less than about 5 占 퐉; Introducing the dispersion into a vessel, removing the sulfur-containing slurry from the vessel, and removing the regenerated catalyst stream, wherein the sulfur-containing slurry comprises elemental sulfur and an aqueous liquid; And recycling at least a portion of the regenerated catalyst stream to the transducer. A system of an apparatus for performing the method is also provided.

Figure R1020137011648
Figure R1020137011648

Description

가스 스위트닝 시스템 및 방법{SYSTEM AND PROCESS FOR GAS SWEETENING}SYSTEM AND PROCESS FOR GAS SWEETING [0001]

본 발명은 일반적으로 황화수소를 함유하는 가스 스트림의 탈황에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 황화수소를 포함하는 액체 스트림 중의 황화수소를 촉매 존재 하에 산화하여 원소 상태의 황으로 만들고, 환원된 촉매를 산화에 의해 재순환용으로 재생시키는 고전단(high shear) 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates generally to desulfurization of a gas stream containing hydrogen sulfide. More particularly, the present invention relates to high shear systems and methods that oxidize hydrogen sulfide in a liquid stream comprising hydrogen sulfide to form elemental sulfur in the presence of a catalyst and regenerate the reduced catalyst for recycling by oxidation .

많은 공정에서, 황화수소를 포함하는 유체 스트림이 생성된다. 종종, 황화수소는 폐기 또는 추가 처리를 위해 가스를 배기하기 전에 가스로부터 제거해야 한다. 예를 들면, 폐수 처리 플랜트 및 역삼투 시스템을 포함하는 설비로부터의 황화수소는 불쾌한 냄새를 가진다. 황화수소는 또한 천연 가스, 오일, 바이오가스, 합성 가스, 지열 가스(geothermal gas) 스트림 등을 포함하는 에너지 공급원 중에 자연적으로 존재하는 성분일 수 있다. 유기 황 성분을 황화수소로 변환시키기 위해 수소화탈황(hydrodesulfurization) 촉매의 존재 하에서 수소 처리에 의한 액체의 수소화탈황이 자주 이용된다. 이어서, 황화수소는 액체 스트림으로부터 제거되어야 한다. 황화수소를 연소시키면 이산화황이 생성되는데, 이산화황은 산성비의 생성을 초래하여 잠재적으로 환경을 파괴하는 것으로 생각된다. 또한, 황화수소가 물과 접촉하면, 공정 장치의 금속에 대해 부식성 물질인 황산이 형성된다.In many processes, a fluid stream containing hydrogen sulfide is produced. Often, hydrogen sulphide must be removed from the gas before it is vented for disposal or further processing. For example, hydrogen sulphide from plants including wastewater treatment plants and reverse osmosis systems has an unpleasant odor. Hydrogen sulfide may also be a naturally occurring component of an energy source, including natural gas, oil, biogas, syngas, geothermal gas streams, and the like. Hydrodesulfurization of liquids by hydrotreating in the presence of hydrodesulfurization catalysts is frequently used to convert organic sulfur components to hydrogen sulfide. The hydrogen sulfide should then be removed from the liquid stream. Burning hydrogen sulphide produces sulfur dioxide, which is thought to cause the production of acid rain, potentially destroying the environment. Further, when hydrogen sulfide comes into contact with water, sulfuric acid, which is a corrosive substance, is formed on the metal of the processing apparatus.

상업적 탈황 공정 중 하나는, 미국 일리노이주 샤움버그 소재 Gas Technology Products, LLC의 Lo-CAT 공정이다. Lo-CAT 공정은 변형된 클라우스 반응(Claus reaction)을 실행하는 방법이다. Lo-CAT 공정은 킬레이트화 철 용액(균질한 촉매 용액, 즉 'LoCat' 용액)을 이용하여 H2S를 원소 상태의 황으로 변환시키는 습식 스크러빙 방식의 액체 산화환원 공정이다.One commercial desulfurization process is the Lo-CAT process at Gas Technology Products, LLC, Schaumburg, Illinois, USA. The Lo-CAT process is a method of executing a modified Claus reaction. The Lo-CAT process is a wet scrubbing liquid oxidation and reduction process that converts H 2 S into elemental sulfur using a chelated iron solution (homogeneous catalyst solution, or 'LoCat' solution).

필요한 공기의 양(가동 비용)의 감소 및 산화 용기의 크기(투자 비용)의 감소를 목적으로, 종래의 액체 산화 시스템(예를 들면 Lo-CAT 시스템)에서의 산소 이용성을 향상시키는 물질 전달 장치를 개발하기 위해 많은 연구가 이루어져 왔다. 현재, 활용되는 산화기(oxidizer)에는 두 가지 형태, 즉 저 헤드(head) 산화기와 고 헤드 산화기가 있다. 저 헤드 산화기에서, 공기는 매우 작은 구멍이 뚫려 있는 EPDM(에틸렌 프로필렌 디엔 모노머) 슬리브가 장착된 분배기에 의해 3.5m/분 미만의 표면 공기 속도(superficial air velocity)로 약 3m의 용액을 통해 분사된다. 용액의 흐름은 기류에 대해 직각이다. 그러한 저 헤드 산화기는 비교적 불량한 물질 전달 장치이다. 그러나, 저 헤드 산화기는 사실상 시스템의 적절한 가동에 필요한 용액 인벤토리를 상당량 제공한다.A mass transfer device for improving the oxygen availability in a conventional liquid oxidation system (for example, a Lo-CAT system) with the aim of reducing the amount of air required (operation cost) and reducing the size (investment cost) Much research has been done to develop. At present, there are two types of oxidizer utilized: low-head oxidizer and high-head oxidizer. In the low-head oxidizer, air is injected through a solution of about 3 m at a superficial air velocity of less than 3.5 m / min by a dispenser equipped with a very small perforated EPDM (ethylene propylene diene monomer) do. The flow of the solution is perpendicular to the air flow. Such a low-head oxidizer is a relatively poor mass transfer device. However, the low head oxidizer provides a substantial amount of solution inventory, which is in fact necessary for proper operation of the system.

고 헤드 산화기에서, 공기는 거친 기포관 분배기에 의해 10m/분보다 높은 표면 속도로 약 7m의 용액을 통해 분사된다. 고 헤드 산화기에서의 용액 흐름은 기류에 대해 병류이다. 이러한 산화기는 저 헤드 산화기의 약 4배에 달하는 물질 전달 계수를 제공하지만, 송풍기에 있어서 더 높은 배출 헤드(discharge head)를 필요로 한다.In the high-head oxidizer, air is injected by a rough bubble tube distributor through a solution of about 7 m at a surface velocity higher than 10 m / min. The solution flow in the high-head oxidizer is parallel to the air flow. These oxidizers provide a mass transfer coefficient that is about four times that of the low head oxidizer, but require a higher discharge head for the blower.

따라서, 가스 스트림의 개선된 탈황(즉, 스위트닝) 방법이 산업계에서 요구된다.Thus, improved desulfurization (i.e., sweetening) of the gas stream is required in the industry.

가스 스트림으로부터 황화수소의 제거를 개선하기 위한 고전단 시스템 및 방법이 개시된다. 어떤 실시예에 따르면, 황화수소를 포함하는 산성 가스 스트림으로부터 황화수소를 제거하는 가스 스위트닝 방법으로서, 변환기(converter) 내에서 상기 산성 가스 스트림을 촉매 수용액과 접촉시킴으로써 황화수소를 산화하여, 탈황된 가스 스트림 및 환원된 촉매와 원소 상태의 황을 포함하는 액체 스트림을 생성하는 단계; 상기 환원된 촉매와 원소 상태의 황을 포함하는 액체 스트림 및 산화제를 고전단 장치에 도입하여, 분산물 중 산화제 가스의 평균 기포 직경이 약 5㎛ 미만인 분산물을 생성하는 단계; 상기 분산물을 용기에 도입하고, 상기 용기로부터 황 함유 슬러리를 제거하고 재생된 촉매 스트림을 제거하는 단계, 여기서 상기 황 함유 슬러리는 원소 상태의 황과 수계 액체를 포함함; 및 재생된 촉매 스트림의 적어도 일부를 상기 변환기로 재순환시키는 단계를 포함하는 황화수소의 제거 방법이 제공된다. 상기 방법은 황 함유 슬러리로부터 수용액의 적어도 일부를 제거하고, 회수된 수용액의 적어도 일부를 용기로 재순환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 실시예에서, 상기 용기는 추가적 산화제 가스를 용기 내로 도입하는 살포기(sparger)를 포함하는 산화기이다.A high-shear system and method for improving the removal of hydrogen sulfide from a gas stream is disclosed. According to some embodiments, there is provided a method of gas-swating for removing hydrogen sulphide from an acid gas stream comprising hydrogen sulfide, comprising: oxidizing hydrogen sulphide by contacting the acid gas stream with a catalyst aqueous solution in a converter, Producing a liquid stream comprising reduced catalyst and elemental sulfur; Introducing the reduced catalyst and a liquid stream comprising elemental sulfur and an oxidant into a high shear device to produce a dispersion wherein the average cell diameter of the oxidant gas in the dispersion is less than about 5 占 퐉; Introducing the dispersion into a vessel, removing the sulfur-containing slurry from the vessel and removing the regenerated catalyst stream, wherein the sulfur-containing slurry comprises elemental sulfur and an aqueous liquid; And recycling at least a portion of the regenerated catalyst stream to the transducer. The method may further comprise removing at least a portion of the aqueous solution from the sulfur containing slurry and recirculating at least a portion of the recovered aqueous solution to the vessel. In an embodiment, the vessel is an oxidizer comprising a sparger for introducing additional oxidant gas into the vessel.

본 발명은 또한, 산성 가스 스트림의 스위트닝 방법으로서, 환원된 산화환원 액체 촉매를 포함하는 액상 중에 분산된 산화제 기포를 포함하는 분산물을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 기포는 1㎛ 미만의 평균 직경을 가지는, 스위트닝 방법을 개시한다. 상기 기포는 400nm 미만의 평균 직경을 가질 수 있다. 실시예에서, 기포는 100nm보다 큰 평균 직경을 가진다. 상기 산성 가스는, 공기, 천연 가스, 이산화탄소, 아민산(amine acid) 가스, 매립지(landfill) 가스, 바이오가스, 합성 가스, 지열 가스, 정제소(refinery) 가스 및 이것들의 조합으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 가스를 포함할 수 있다. 실시예에서, 상기 분산물의 형성 단계는 산화제 가스와 액체 촉매상(catalytic phase)의 혼합물을 약 20,000s-1보다 큰 전단 속도(shear rate)로 처리하는 단계를 포함한다. 상기 분산물의 형성 단계는 산화제 가스와 액체 촉매상을 고전단 장치에서 접촉시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 고전단 장치는 하나 이상의 회전자를 포함하고, 상기 하나 이상의 회전자는 분산물이 형성되는 동안 22.9m/s(4,500ft/분)의 선단 속도(tip speed)로 회전한다. 상기 고전단 장치는 상기 적어도 하나의 회전자의 선단에서 약 1034.2MPa(150,000psi) 이상의 국소 압력을 생성할 수 있다. 상기 고전단 장치의 에너지 소비는 1000W/㎥보다 크다. 실시예에서, 상기 산화환원 촉매는 유기 금속 촉매 및 철 킬레이트(iron chelate) 촉매로부터 선택된다.The present invention also provides a method of sweetening an acidic gas stream comprising forming a dispersion comprising oxidant bubbles dispersed in a liquid phase comprising a reduced redox liquid catalyst wherein the bubbles have an average Lt; RTI ID = 0.0 > diameter. ≪ / RTI > The bubbles may have an average diameter of less than 400 nm. In an embodiment, the bubble has an average diameter greater than 100 nm. The acidic gas is selected from the group consisting of air, natural gas, carbon dioxide, amine acid gas, landfill gas, biogas, syngas, geothermal, refinery gas and combinations thereof Gas. In an embodiment, the step of forming the dispersion comprises treating a mixture of oxidant gas and a liquid catalytic phase at a shear rate greater than about 20,000 s < -1 & gt ;. The step of forming the dispersion may comprise contacting the oxidant gas and the liquid catalyst phase in a high shear device, wherein the high shear device comprises one or more rotors, And rotates at a tip speed of 22.9 m / s (4,500 ft / min). The high shear device may generate a local pressure of at least about 150,000 psi at the tip of the at least one rotor. The energy consumption of the high shear device is greater than 1000 W / m < 3 >. In an embodiment, the redox catalyst is selected from an organometallic catalyst and an iron chelate catalyst.

본 발명은 또한, 산성 가스로부터 황화수소를 제거하는 방법으로서, 산성 가스를 산화된 촉매를 포함하는 액체와 변환기 내에서 접촉시킴으로써 황화수소 가스를 산화시켜 황과 환원된 촉매를 포함하는 변환기 액체 생성물 스트림을 생성하는 단계; 상기 변환기 액체 생성물 스트림과 산화제 가스를 포함하는 유체 혼합물을 형성하는 단계; 상기 유체 혼합물을 약 20,000s-1 이상의 전단 속도로 처리하여 액체의 연속상 중 산화제의 분산물을 생성하는 단계; 및 상기 분산물을 용기에 도입하고, 상기 용기로부터 황 슬러리를 제거하고, 재생된 산화된 액체 촉매를 포함하는 액체 스트림을 변환기로 재순환시키는 단계를 포함하는 황화수소의 제거 방법을 개시한다. 상기 방법은 황 슬러리를 세퍼레이터(separator)에 도입하고, 세퍼레이터로부터 상기 슬러리 중의 수계 액체를 황으로부터 제거하는 단계; 및 상기 슬러리로부터 제거된 상기 수계 액체를 상기 용기로 재순환시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 상기 분산물 중 상기 산화제 가스의 평균 기포 직경은 1㎛ 미만일 수 있다. 상기 분산물은 대기압에서 약 15분 이상 안정하게 유지될 수 있다. 실시예에서, 상기 유체 혼합물을 약 20,000s-1보다 큰 전단 속도에 노출시키는 단계는 2개 이상의 발생기(generator)를 포함하는 고전단 장치 내로 상기 유체를 도입하는 단계를 포함한다.The present invention also relates to a process for removing hydrogen sulphide from an acid gas comprising the steps of oxidizing a hydrogen sulphide gas by contacting the acid gas with a liquid comprising an oxidized catalyst in a converter to produce a converter liquid product stream comprising sulfur and a reduced catalyst ; Forming a fluid mixture comprising the transducer liquid product stream and an oxidant gas; Treating the fluid mixture at a shear rate of at least about 20,000 s -1 to produce a dispersion of oxidant in the liquid phase; And introducing the dispersion into a vessel, removing the sulfur slurry from the vessel, and recycling the liquid stream comprising the regenerated oxidized liquid catalyst to the converter. The method includes introducing a sulfur slurry into a separator, removing the aqueous liquid in the slurry from the sulfur from the separator; And recycling the aqueous liquid removed from the slurry to the vessel. The mean bubble diameter of the oxidant gas in the dispersion may be less than 1 탆. The dispersion can be stably maintained at atmospheric pressure for at least about 15 minutes. In an embodiment, exposing the fluid mixture to a shear rate greater than about 20,000 s < -1 > includes introducing the fluid into a high shear device comprising two or more generators.

본 발명은 또한, 산성 가스 스트림으로부터 황화수소를 제거하는 시스템으로서, 산성 가스용 입구, 산화된 촉매를 포함하는 액체 스트림용 입구 및 황과 환원된 액체 촉매를 포함하는 변환기 액체 생성물용 유출 라인을 포함하는 변환기; 상기 유출 라인으로 산화제가 도입될 수 있도록 설치된 분산가능한 가스 입구; 상기 분산가능한 가스 입구의 하류에 설치되고, 상기 변환기 유출 라인과 유체로 연통되는 입구 및 고전단 장치 출구를 포함하는 외부의 고전단 장치; 상기 고전단 장치 출구와 유체로 연통되는 산화기; 및 상기 산화기와 상기 변환기의 액체 스트림용 유입 라인을 유체로 연통시킴으로써 재생된 산화 촉매가 변환기로 재순환될 수 있도록 설치된 재순환 라인을 포함하는 시스템을 개시한다. 상기 외부의 고전단 장치는, 회전자와 고정자 사이에 최소 간극(clearance)으로 정의되는 전단 갭 폭(shear gap width)을 가진 회전자와 고정자를 포함하는 하나 이상의 발생기 세트를 포함하는 톱니형(toothed) 림 분산기(rim disperser)를 포함할 수 있고, 상기 회전자는 선단 속도를 전단 갭 폭으로 나눈 값으로 정의되는 전단 속도가 100,000s-1의 값으로 얻어지는 선단 속도로 회전 가능하다. 외부의 고전단 장치는 20.3m/s(4,000ft/분)보다 큰 선단 속도를 가질 수 있다. 실시예에서, 외부의 고전단 장치는 서브마이크론 수준의 평균 기포 직경을 가진 산화제 기포가 촉매 수용액 중에 분산된 분산물을 생성할 수 있다. 상기 시스템은 2개 이상의 고전단 장치를 포함할 수 있다.The present invention also provides a system for removing hydrogen sulphide from an acidic gas stream comprising an inlet for an acid gas, an inlet for a liquid stream comprising an oxidized catalyst, and an outlet line for the converter liquid product comprising sulfur and a reduced liquid catalyst converter; A dispensable gas inlet adapted to introduce an oxidant into the outlet line; An external high-shear device downstream of the dispensable gas inlet and comprising an inlet and a high-shear device outlet in fluid communication with the transducer outlet line; An oxidizer in fluid communication with said high shear device outlet; And a recirculation line installed to allow the regenerated oxidation catalyst to be recycled to the transducer by fluidly communicating the oxidizer and the inlet line for the liquid stream of the transducer to the transducer. The outer high-shear device may include a set of one or more generators including a rotor and a stator having a shear gap width defined as a minimum clearance between the rotor and the stator, ) Rim disperser and the rotor is rotatable at a front end speed that is a value obtained by dividing the front end speed by the front end gap width and a shear speed of 100,000 s -1 . The external high-shear device may have a tip speed greater than 20.3 m / s (4,000 ft / min). In an embodiment, the external high-shear device may produce a dispersion wherein oxidant bubbles having an average cell diameter of sub-micron level are dispersed in an aqueous catalyst solution. The system may include two or more high-stage devices.

본 발명은 또한, 산성 가스 스트림으로부터 황화수소를 제거하는 개선된 시스템으로서, 흡수 유닛, 황화수소를 원소 상태의 황으로 변환시킬 때 환원되는 산화환원 촉매, 환원된 촉매를 재생하기 위한 산화 유닛, 및 재생된 촉매를 상기 흡수 유닛으로 반송하는 촉매 재순환 시스템을 포함하고, 개선된 사항으로는 상기 변환기와 상기 산화 유닛 사이의 라인에 고전단 장치가 삽입되고, 상기 고전단 장치는 2개 이상의 발생기를 포함하고, 상기 발생기 중 적어도 하나는 10,000s-1 이상의 전단 속도를 생성하는 것을 포함하는, 시스템을 개시한다. 하나의 발생기에 의해 생성된 전단 속도는 또 다른 발생기에 의해 생성된 전단 속도보다 클 수 있다.The present invention also provides an improved system for removing hydrogen sulphide from an acid gas stream comprising an absorption unit, a redox catalyst that is reduced when converting hydrogen sulphide to elemental sulfur, an oxidation unit to regenerate the reduced catalyst, And a catalyst recirculation system for transporting the catalyst to the absorption unit, the improvement being that a high-shear device is inserted in a line between the transducer and the oxidation unit, the high-shear device comprising two or more generators, Wherein at least one of said generators comprises generating a shear rate of at least 10,000 s < -1 & gt ;. The shear rate generated by one generator may be greater than the shear rate generated by another generator.

상기 시스템의 몇몇 실시예는 잠재적으로, 외부의 가압된 고전단 반응기의 이용을 통해 대용량 반응기를 필요로 하지 않고 가스 스트림의 스위트닝을 가능하게 한다.Some embodiments of the system potentially enable the gas stream to be sweetened without the need for a high capacity reactor through the use of an external pressurized high shear reactor.

전술한 방법 또는 시스템의 일부 실시예는, 다른 가능한 시스템에 비해 더 적합한 시간, 온도 및 압력 조건을 잠재적으로 제공하여, 다단계(multiphase) 공정의 속도를 잠재적으로 증가시킨다. 전술한 방법 또는 시스템의 어떤 실시예는, 낮은 온도 및/또는 압력에서 가동됨으로써 전체적 비용 절감을 잠재적으로 제공하고, 소비되는 촉매의 단위당 증가된 생성물, 단축된 반응 시간, 및/또는 감소된 투자비 및/또는 운전비를 제공한다. 이러한 실시예 및 잠재적 이점들은 이하의 상세한 설명과 도면에서 명백해질 것이다.Some embodiments of the above-described method or system potentially provide more suitable time, temperature, and pressure conditions than other possible systems, potentially increasing the speed of a multiphase process. Certain embodiments of the above-described methods or systems may potentially provide overall cost savings by operating at low temperatures and / or pressures, and may result in increased products per unit of spent catalyst, reduced reaction times, and / And / or an operating cost. These embodiments and potential advantages will become apparent in the following detailed description and drawings.

본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하기 위해, 첨부 도면을 참조하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부의 고전단 분산 단계를 포함하는 고전단 가스 스위트닝 시스템의 개략도이다.
도 2는 상기 시스템의 일 실시예에서 사용되는 다단계 고전단 장치의 길이 방향 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외부의 고전단 가스 스위트닝 공정의 박스형 흐름도이다.For a more detailed description of preferred embodiments of the present invention, reference is made to the accompanying drawings.
1 is a schematic diagram of a high shear gas sweetening system including an external high shear dispersion step in accordance with one embodiment of the present invention.
Figure 2 is a longitudinal cross-sectional view of a multi-stage high-shear device used in one embodiment of the system.
Figure 3 is a boxed flow diagram of an external high-stage gas-gasifying process according to one embodiment of the present invention.

표기 및 용어Notation and Terminology

본 명세서에서 사용하는 "분산물"이라는 용어는, 용이하게 혼합되지 않으며 함께 용해되지 않는 2종 이상의 구별가능한 물질(또는 "상")을 함유하는 액화 혼합물(liquified mixture)을 의미한다. 본 명세서에서 사용하는 용어로서 "분산물"은 다른 상 또는 물질의 불연속적인 액적(droplet), 기포 및/또는 입자를 수용하는 "연속적인" 상(또는 "매트릭스")을 포함한다. 그러므로 분산물이라는 용어는, 연속적 액상 중에 현탁된 기포를 포함하는 포말(foam), 제1 액체의 액적이 상기 제1 액체의 액적과 혼합되지 않는 제2 액체를 포함하는 연속상 전체에 분산되어 있는 에멀젼, 및 고체 입자가 전체적으로 분포되어 있는 연속적 액상을 의미할 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 "분산물"이라는 용어는 기포가 전체적으로 분포되어 있는 연속적인 액상, 고체 입자(예컨대, 고체 촉매)가 전체적으로 분포되어 있는 연속적인 액상, 연속상 중에 실질적으로 불용성인 제2 액체의 액적이 전체적으로 분포되어 있는 제1 액체의 연속상, 및 고체 입자, 비혼화성 액적 및 기포 중 어느 하나 또는 그의 조합이 전체적으로 분포되어 있는 액상을 포함한다. 따라서, 분산물은 조합을 위해 선택되는 물질의 성질에 따라서 몇몇 경우에는 균일한 혼합물(예를 들면, 액체/액상) 또는 불균일한 혼합물(예를 들면, 기체/액체, 고체/액체, 또는 기체/고체/액체)로서 존재할 수 있다.As used herein, the term "dispersion" means a liquified mixture containing two or more distinguishable materials (or "phases") that are not readily mixed and are not dissolved together. As used herein, the term "dispersion" includes a "continuous" phase (or "matrix") that accommodates discontinuous droplets, bubbles and / or particles of another phase or material. The term dispersion therefore includes a foam comprising bubbles suspended in a continuous liquid phase, a liquid dispersed throughout the continuous phase comprising a liquid of the first liquid and a second liquid not mixed with the liquid of the first liquid Emulsion, and continuous liquid phase in which solid particles are distributed throughout. As used herein, the term "dispersion" refers to a continuous liquid phase in which continuous liquid phases, solid particles (e.g., solid catalysts) in which bubbles are distributed throughout are totally distributed, A liquid phase in which the continuous phase of the first liquid in which the liquid droplet is distributed as a whole and the solid particle, the incompatible liquid droplet, and the bubbles, or a combination thereof, is entirely distributed. Thus, the dispersion may be in some cases a homogeneous mixture (e.g., liquid / liquid) or a heterogeneous mixture (e.g., gas / liquid, solid / liquid, or gas / Solid / liquid).

발명의 상세한 설명DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

개요. 액체, 기체 및 고체를 포함하는 화학적 반응의 속도는 접촉 시간, 온도 및 압력에 의존한다. 상이한 상(예를 들면, 고체와 액체; 액체와 기체; 고체, 액체 및 기체)의 원료 물질 2종 이상을 반응시키고자 하는 경우에, 반응 속도를 제어하는 제한 요인 중 하나로는 반응물의 접촉 시간이 포함된다. 불균일 방식의 촉매화 반응인 경우에는, 촉매가 추가적 반응물에 촉매 작용을 할 수 있도록 촉매의 표면으로부터 반응 생성물을 제거시켜야 하는 추가적 제한 요인이 있다. 반응물 및/또는 촉매의 접촉 시간은 보통 혼합에 의해 제어되며, 혼합은 화학 반응에 관여하는 2종 이상의 반응물과의 접촉을 제공한다. Overview . The rate of the chemical reaction involving liquids, gases and solids depends on the contact time, temperature and pressure. One of the limiting factors controlling the reaction rate when reacting two or more raw materials of different phases (for example, solid and liquid; liquid and gas; solid, liquid and gas) . In the case of non-homogeneous catalysis, there are additional limiting factors that must remove the reaction product from the surface of the catalyst so that the catalyst can catalyze additional reactants. The contact time of the reactants and / or catalyst is usually controlled by mixing, and the mixing provides contact with two or more reactants involved in the chemical reaction.

여기에 기재된 외부의 고전단 장치 또는 믹서를 포함하는 반응기 어셈블리는 물질 전달 한계를 감소시킬 수 있고, 그 결과 반응이 역학적 한계(kinetic limitation)에 보다 가깝게 접근할 수 있게 된다. 반응 속도가 가속화되면, 체류 시간이 감소될 수 있고, 그에 따라 얻을 수 있는 처리량이 증가된다. 생성물 수율은 고전단 시스템 및 방법의 결과로서 증가될 수 있다. 대안적으로, 기존 공정의 생성물 수율이 허용가능할 경우에, 적합한 고전단을 이용하여 필요한 체류 시간을 감소시킴으로써 종래의 방법에 비해 더 낮은 온도 및/또는 압력을 이용하는 것이 가능해질 수 있다.Reactor assemblies, including external high-shear devices or mixers as described herein, can reduce mass transfer limits, resulting in the reaction approaching a kinetic limitation more closely. When the reaction rate is accelerated, the residence time can be reduced, and the throughput that can be obtained thereby is increased. Product yield can be increased as a result of high shear systems and methods. Alternatively, when product yields of existing processes are acceptable, it may be possible to utilize lower temperatures and / or pressures relative to conventional methods by reducing the required residence time using suitable high shear.

또한, 이론에 의해 제한하려는 것은 아니지만, 본 명세서에 기재된 외부의 고전단 장치 또는 믹서를 포함하는 반응기 어셈블리가 제공하는 고전단 조건은, 종래의 관점에서는 반응이 유의적인 정도로 일어날 것으로 기대할 수 없는 전체적 가동 조건에서의 가스 스위트닝을 가능하게 할 것으로 생각된다. Further, although not wishing to be bound by theory, it is believed that the high-shear conditions provided by the reactor assemblies comprising an external high-shear device or mixer as described herein may result in an overall operation that can not be expected to occur with a significant degree of reaction It is believed that it will enable gas sweeping under conditions.

가스 스위트닝 시스템. 고전단 가스 스위트닝 시스템을 도 1과 관련하여 설명하는데, 도 1은 황화수소를 포함하는 가스 스트림으로부터 황화수소를 제거하는 고전단 시스템(1)의 일 실시예의 공정도이다. 고전단 황 제거 시스템(1)은 다음과 같은 네 개의 공정 구역(process zone)을 가지는 것으로 생각할 수 있다: 변환기(흡수기), 고전단 장치/산화기, 산화기/황 분리부, 및 황 취급부. 액체 환원 산화 탈황용으로 대표적인 고전단 시스템의 기본적 구성 요소는 변환기(30), 외부의 고전단 장치(HSD)(40), 용기(10) 및 펌프(5)를 포함한다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 고전단 장치(40)는 용기/반응기(10)의 외부에 위치한다. 이들 구성 요소 각각을 이하에서 보다 구체적으로 설명한다. 라인(25)은 황화수소를 함유하는 가스를 변환기(30) 내로 도입한다. 몇몇 응용예에서, 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 예를 들면 넉아웃 포트(knock out pot)(24)와 같은 산성 가스 공급 스트림 전처리부를 추가로 포함한다. 넉아웃 포트(24)는, 산성 가스를 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)으로 공급하는 유입 라인(23)을 통해 산성 가스를 공급받을 수 있다. 라인(25)은 넉아웃 포트(24)를 변환기(30)와 연결시킬 수 있다. Gas swinging system. 1 is a flow diagram of one embodiment of a high shear system 1 for removing hydrogen sulphide from a gas stream comprising hydrogen sulphide. The high shear sulfur removal system 1 can be thought of as having four process zones: a converter (absorber), a high shear device / oxidizer, an oxidizer / sulfur separator, . The basic components of a typical high shear system for liquid reduction oxidation desulfurization include a converter 30, an external high shear unit (HSD) 40, a vessel 10 and a pump 5. As shown in FIG. 1, the high shear device 40 is located outside the vessel / reactor 10. Each of these components will be described in more detail below. The line 25 introduces a gas containing hydrogen sulfide into the converter 30. In some applications, the high shear gas sweetening system 1 further comprises an acid gas feed stream pretreatment unit, such as, for example, a knock out pot 24. The knock-out port 24 can be supplied with an acidic gas through the inflow line 23 which supplies the acid gas to the high-stage gas sweetening system 1. The line 25 may connect the knock-out port 24 with the transducer 30.

라인(21)은 액체 촉매를 변환기(30) 내로 도입하기 위해 펌프(5)에 연결될 수 있다. 펌프(5)는, 몇몇 실시예에서, 변환기(30)와 HSD(40)의 사이와 같이 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)의 임의의 장소에 위치할 수 있다. 처리된 가스는 라인(35)을 통해 변환기(30)로부터 배출된다. 라인(13)은 변환기(30)를 HSD(40)에 연결하고, 라인(18)은 HSD(40)와 용기(10)를 유체로 연결시킨다. 라인(22)은 산화제(예; 공기 또는 농축된 공기)를 HSD(40)에 도입하기 위해 라인(13)에 연결될 수 있다. 대안적으로는, 라인(22)은 HSD(40)의 입구에 직접 연결될 수 있다. 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 라인(18)을 통해 HSD(40)에 연결되는 한편 라인(19)을 통해 용기(10)에 연결될 수 있는 벤처 스파저(venture sparger)(45)를 추가로 포함할 수 있다. 라인(17)은 배기 가스를 제거하기 위해 용기(10)에 연결될 수 있다. 필요할 경우에, 용기(10)와 HSD(40) 사이, 또는 펌프(5)나 HSD(40)의 앞쪽과 같이 고전단 가스 스위트닝 시스템(1) 전체에 걸쳐, 예를 들면, 열교환기와 같은 추가적 구성 요소 또는 공정 단계를 도입할 수 있다. 라인(21)은, 필요할 경우, 촉매 재순환에 대비하여 용기(10)를 변환기(30)에 연결한다.The line 21 may be connected to the pump 5 for introducing the liquid catalyst into the converter 30. The pump 5 may, in some embodiments, be located anywhere in the high shear gas sweetening system 1, such as between the transducer 30 and the HSD 40. The processed gas is discharged from the converter 30 via line 35. Line 13 connects transducer 30 to HSD 40 and line 18 fluidly connects HSD 40 and vessel 10. Line 22 may be connected to line 13 to introduce an oxidant (e.g., air or enriched air) into HSD 40. Alternatively, the line 22 may be connected directly to the inlet of the HSD 40. The high shear gas sweetening system 1 further comprises a venture sparger 45 connected to the HSD 40 via line 18 and to the vessel 10 via line 19. [ As shown in FIG. The line 17 may be connected to the vessel 10 to remove the exhaust gas. Such as a heat exchanger, over the entire high stage gas sweetening system 1, such as between the vessel 10 and the HSD 40, or the front of the pump 5 or the HSD 40, Component or process steps may be introduced. The line 21 connects the vessel 10 to the transducer 30, if necessary, in preparation for catalyst recirculation.

몇몇 응용예에서, 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은, 예를 들면, 황 침강기(settler)(60), 슬러리 펌프(70), 침강기 공급 펌프(50), 또는 이것들의 조합과 같은 황 분리 장치를 추가로 포함한다. 침강기 공급 펌프(50)는 라인(16)을 통해 산화기 용기(10)에 유체로 연결됨으로써 황 슬러리가 용기(10)로부터 추출될 수 있다. 라인(51)은 라인(53)을 통해 침강기 공급 펌프(50)의 출구를 황 침강기(60)와 연결시키고, 라인(52)을 통해 산화기 용기(10)에 연결시킬 수 있다.In some applications, the high-stage gas sweetening system 1 may be used in a variety of applications, such as, for example, a sulfur settler 60, a slurry pump 70, a settler feed pump 50, Sulfur separation device. The settler feed pump 50 is fluidly connected to the oxidizer vessel 10 via line 16 so that the sulfur slurry can be extracted from the vessel 10. Line 51 may connect the outlet of the settler feed pump 50 via line 53 to the sulfur settler 60 and to the oxidizer vessel 10 via line 52. [

황 침강기(60)는 라인(65)을 통해 슬러리 펌프(70)에 연결될 수 있다. 라인(75)은 슬러리 펌프(70)에 연결될 수 있어서, 황을 추가 분리부(80)로 이송하는 데 사용될 수 있다. 침강기(60)에서 분리된 촉매 수용액은 라인(14)을 통해 용기(10)에 반송될 수 있다.The sulfur settler 60 may be connected to the slurry pump 70 via line 65. Line 75 may be connected to slurry pump 70 and may be used to transfer sulfur to further separator 80. The aqueous catalyst solution separated in the settler 60 can be returned to the vessel 10 through the line 14. [

고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 송풍기(90)를 추가로 포함할 수 있다. 송풍기(90)는 선택적 2차 공기를 용기(10)에 제공하도록 용기(10)에 연결될 수 있다. 송풍기(90)는 필터 및 소음기(silencer)(85)에 연결될 수 있다.The high shear gas sweetening system 1 may further comprise a blower 90. The blower 90 may be connected to the vessel 10 to provide selective secondary air to the vessel 10. The blower 90 may be connected to a filter and a silencer 85.

변환기. 변환기(30)는 그 안에서 산성 가스가 균질 액체 촉매 용액과 접촉하는 접촉기(contactor)를 포함한다. 변환기(30)는 흡수기로 지칭될 수 있다. 실시예에서, 황화수소를 산화하여 원소 상태의 황을 생성하는 데 적합한 임의의 액체 산화환원 촉매가 사용된다. 이러한 촉매로는, 예를 들면, 철의 킬레이트 또는 다른 유기 금속 물질을 포함하는 촉매가 포함된다. 실시예에서, 탈황 반응은 촉매 반응제로서 킬레이트화 철을 이용하여 수상(aqueous phase)에서 수행된다. 킬레이트제는 철 이온을 갈고리 발톱형으로 둘러싸서 2개 이상의 비철 원자와 철 원자 사이에 화학적 결합을 형성하는 유기 화합물이다. 상기 시스템은 전형적으로 H2S를 약 알칼리성 액체 촉매 용액 내로 양호하게 흡수시키는 것을 보장하도록 약 알칼리성 pH 범위에서 가동된다. 적합한 촉매는 Gas Technology Products LLC사의 LoCat 용액이다. 균질한 액체 촉매 용액(21)은 펌프(5) 및 변환기 유입 라인(12)을 통해 변환기(30) 내로 도입될 수 있다. 실시예에서, 액체 촉매 용액은 변환기(30)를 통해 산성 가스 유동과 향류 방식으로 흐른다. 실시예에서, 변환기(30)는 살포형 흡수기이다. 그러한 실시예에서, 라인(25)으로부터의 산 가스는 변환기(30) 내로 살포된다. 산성 가스 중의 황화수소는 촉매와의 반응에 의해 산화되어 원소 상태의 황이 형성되고, 촉매는 환원된다. 촉매는, 예를 들면, 살포에 의해 발생된 양력(lift)에 의해 변환기(30)를 통해 순환된다. 황화수소가 제거된 처리 가스는 라인(35)을 통해 변환기(30)로부터 배출된다. 원소 상태의 황과 환원된 촉매를 포함하는 변환기의 액체 생성물은 라인(13)을 통해 변환기(30)로부터 배출된다. converter. The transducer 30 includes a contactor in which the acid gas is in contact with the homogeneous liquid catalyst solution. The transducer 30 may be referred to as an absorber. In an embodiment, any liquid redox catalyst suitable for oxidizing hydrogen sulfide to produce elemental sulfur is used. Such catalysts include, for example, catalysts comprising a chelate of iron or other organometallic material. In an embodiment, the desulfurization reaction is carried out in the aqueous phase using chelated iron as the catalyst reactant. A chelating agent is an organic compound that surrounds iron ions with a claw-like shape to form a chemical bond between two or more non-iron atoms and iron atoms. The system is typically operated in a weakly alkaline pH range to ensure that H 2 S is well absorbed into a weakly alkaline liquid catalyst solution. A suitable catalyst is a LoCat solution from Gas Technology Products LLC. The homogeneous liquid catalyst solution 21 can be introduced into the converter 30 through the pump 5 and the converter inlet line 12. In an embodiment, the liquid catalyst solution flows through converter 30 in an acidic gas flow and countercurrent manner. In an embodiment, the transducer 30 is a spray absorber. In such an embodiment, acid gas from line 25 is sprayed into transducer 30. The hydrogen sulfide in the acid gas is oxidized by the reaction with the catalyst to form elemental sulfur, and the catalyst is reduced. The catalyst is circulated through the converter 30, for example by a lift generated by spraying. The process gas from which the hydrogen sulfide has been removed is discharged from the converter 30 through the line 35. The liquid product of the transducer, including the elemental sulfur and the reduced catalyst, is discharged from the transducer 30 via line 13.

고전단 장치. 경우에 따라서 고전단 장치 또는 고전단 혼합 장치로 지칭되기도 하는 외부의 고전단 혼합 장치(HSD)(40)는 라인(13)을 통해, 황 함유 화합물과 분자 상태의 수소를 포함하는 탄소질 유체를 포함하는 유입 스트림을 수납하도록 되어 있다. 산화제는 분산가능한 가스 라인(22)을 통해 고전단 장치(40)에 도입되는데, 라인(22)은 HSD(40)의 상류에서 라인(13) 내로 산화제를 주입할 수 있다. 대안적으로는, HSD(40)는 별도의 유입 라인(도시되지 않음)을 통해 액체 및 산화제 반응물 스트림을 수납하도록 되어 있다. 도 1에는 1개의 고전단 장치만 도시되어 있지만, 상기 시스템의 몇몇 실시예는 직렬 또는 병렬로 설치된 2개 이상의 고전단 혼합 장치를 가질 수 있다. HSD(40)는 회전자/고정자가 조합된 하나 이상의 발생기를 활용하는 기계적 장치이며, 발생기 각각은 고정자와 회전자 사이에 갭을 가진다. 발생기 세트 각각의 회전자와 고정자 사이의 갭은 고정형일 수도 있고 조절형일 수도 있다. HSD(40)는 고전단 장치를 통해 흐르는 반응 혼합물 내에 서브마이크론 및 마이크론 크기의 기포를 생성할 수 있도록 되어 있다. 고전단 장치는 인클로저(enclosure) 또는 하우징을 포함함으로써 반응 혼합물의 압력과 온도를 조절할 수 있다. High - shear device. An external high shear mixing device (HSD) 40, sometimes referred to as a high shear device or a high shear mixing device, is connected via line 13 to a carbonaceous fluid containing a sulfur- So as to receive the inflow stream. The oxidant is introduced into the high shear device 40 through a dispersible gas line 22 which is capable of injecting an oxidant into the line 13 upstream of the HSD 40. Alternatively, the HSD 40 is adapted to receive the liquid and oxidant reactant streams via separate inlet lines (not shown). Although only one high-shear device is shown in FIG. 1, some embodiments of the system may have two or more high-shear mixing devices installed in series or in parallel. The HSD 40 is a mechanical device utilizing one or more generators in combination with a rotor / stator, each of which has a gap between the stator and the rotor. The gap between the rotor and the stator of each generator set may be fixed or adjustable. The HSD 40 is capable of producing submicron and micron sized bubbles within the reaction mixture flowing through the high shear device. The high shear device may include an enclosure or housing to control the pressure and temperature of the reaction mixture.

고전단 혼합 장치는 일반적으로 유체의 혼합 능력에 따라서 세 가지 부류로 나누어진다. 혼합은 유체 내의 입자 또는 균일한 종의 크기를 축소시키는 공정이다. 혼합의 정도 또는 충실도에 대한 척도 중 하나는 혼합 장치가 유체 입자를 분열시키기 위해 발생하는 단위 체적당 에너지 밀도이다. 상기 부류는 전달되는 에너지 밀도를 토대로 구별된다. 입경이 서브마이크론 내지 50㎛ 범위인 혼합물 또는 에멀젼을 일관되게 생성하기에 충분한 에너지 밀도를 가진 산업적 믹서의 세 가지 부류로는 균질화 밸브 시스템(homogenization valve system), 콜로이드 밀(colloid mill) 및 고속 믹서가 포함된다. 균질화 밸브 시스템으로 지칭되는 고에너지 장치의 첫 번째 부류에서, 처리할 유체는 내로우-갭(narrow-gap) 밸브를 통해 고압 하에서 저압 분위기 속으로 펌핑된다. 상기 밸브에 걸리는 압력 구배(pressure gradient)와 얻어지는 난류(turbulence) 및 공동화(cavitation)는 유체 내의 모든 입자를 분열시키는 작용을 한다. 이러한 밸브 시스템은 우유 균질화 공정에서 가장 일반적으로 이용되며, 서브마이크론 내지 1㎛ 범위의 평균 입경을 형성할 수 있다.High-shear mixing devices are generally divided into three classes depending on the mixing ability of the fluid. Mixing is a process of reducing the size of particles or uniform species in a fluid. One measure of the degree of fidelity or fidelity is the energy density per unit volume that the mixing device causes to break fluid particles. The class is distinguished based on the delivered energy density. Three classes of industrial mixers with sufficient energy density to consistently produce mixtures or emulsions with particle diameters ranging from submicron to 50 microns include homogenization valve systems, colloid mills, and high speed mixers . In the first class of high energy devices, referred to as homogenization valve systems, the fluid to be treated is pumped through a narrow-gap valve under high pressure into a low pressure atmosphere. The pressure gradient across the valve and the resulting turbulence and cavitation act to divide all particles in the fluid. Such valve systems are most commonly used in milk homogenization processes and can form average particle sizes in the submicron to 1 占 퐉 range.

에너지 밀도 스펙트럼의 반대측 끝에는 저에너지 장치로 지칭되는 제3 부류의 장치가 있다. 이 시스템은 일반적으로, 처리할 유체의 저장조 내에서 고속으로 회전하는 패들(paddle) 또는 유체 회전자를 가지며, 그러한 유체는 더욱 보편적인 많은 응용 분야에서 식료품이다. 이러한 저에너지 시스템은 20㎛보다 큰 평균 입경이 처리 유체에서 허용되는 경우에 통상적으로 사용된다.At the opposite end of the energy density spectrum is a third class of devices referred to as low energy devices. The system generally has a paddle or a fluid rotor that rotates at high speed in a reservoir of fluid to be treated, and such fluids are foodstuffs in many of the more common applications. These low energy systems are typically used when an average particle size greater than 20 microns is allowed in the processing fluid.

저에너지 장치와 균질화 밸브 시스템 사이에, 유체에 전달되는 에너지 밀도의 혼합 측면에서, 콜로이드 밀 및 그 밖의 고속 회전자-고정자 장치가 있으며, 이것들은 중간 에너지 장치로 분류된다. 전형적인 콜로이드 밀 형태로는 치밀하게 제어되는 회전자-고정자 갭, 통상적으로는 0.0254mm 내지 10.16mm(0.001∼0.40인치)의 갭에 의해 보완적인 액체 냉각형 고정자로부터 분리되는 원추형 또는 디스크형 회전자를 포함한다. 회전자는 알반적으로 직접 구동 또는 벨트 기구를 통해 전동 모터에 의해 구동된다. 회전자가 고속으로 회전함에 따라, 회전자의 외면과 고정자의 내면 사이에서 유체가 펌핑되고, 상기 갭에서 발생된 전단력에 의해 유체가 처리된다. 적절히 조절된 콜리이드 밀은 대부분 처리된 유체 내에서 0.1∼25㎛의 평균 입자 크기를 달성한다. 이러한 능력으로 인해 콜로이드 밀은 화장품, 마이요네즈, 또는 실리콘/은 아말감 형성, 루핑-타르(roofing-tar) 혼합 등에 요구되는 바와 같은 콜로이드 및 오일/물 에멀젼 가공을 포함하는 다양한 응용분야에 적합하다.Between the low-energy device and the homogenization valve system, there are colloid mills and other high-speed rotor-stator devices in terms of mixing of the energy density delivered to the fluid, which are classified as intermediate energy devices. A typical colloid mill configuration includes a conically or disc-shaped rotor separated from a complementary liquid-cooled stator by a closely controlled rotor-stator gap, typically between 0.0254 mm and 10.16 mm (0.001-0.40 inch) . The rotor is driven by an electric motor through direct drive or belt mechanism. As the rotor rotates at a high speed, fluid is pumped between the outer surface of the rotor and the inner surface of the stator, and the fluid is treated by the shear force generated in the gap. Properly controlled collied mills achieve an average particle size of 0.1 to 25 [mu] m in the majority of the treated fluid. Because of this ability, colloid mills are suitable for a variety of applications, including colloid and oil / water emulsion processing as required for cosmetics, myonines, or silicone / silver amalgam formation, roofing-tar blends, .

선단 속도는 회전자의 선단이 단위 시간당 이동하는 원주 상의 거리이다. 따라서 선단 속도는 회전자 직경과 회전 주기의 함수이다. 선단 속도(예를 들면, m/분 단위)는 회전자 선단에 의해 전사되는 원주 상의 거리, 2πR(여기서 R은 회전자의 반경(예를 들면, m)과 회전 주기(예를 들면, 분당 회전수, rpm)의 곱으로 산출될 수 있다. 예를 들어, 콜로이드 밀은 22.9m/s(4,500ft/분)을 초과하는 선단 속도를 가질 수 있고, 40m/s(7,900ft/분)을 초과할 수 있다. 본 발명의 목적에 따라, "고전단"이라는 용어는 5.1m/s(1,000ft/분)을 초과하는 선단 속도의 능력을 가지며 반응시킬 생성물의 스트림 내로 에너지를 인가하기 위해 외부의 기계적으로 구동되는 동력 장치를 필요로 하는 기계적 회전자-고정자 장치(예컨대, 콜로이드 밀 또는 회전자-고정자 분산기)를 지칭한다. 예를 들면, HSD(40)에서는, 22.9m/s(4,500ft/분)을 초과하는 선단 속도를 얻을 수 있고, 40m/s(7,900ft/분)을 초과할 수 있다. 몇몇 실시예에서, HSD(40)는 22.9m/s(4,500ft/분) 이상의 선단 속도에서 300l/h 이상으로 전달할 수 있다. 동력 소비는 약 1.5kW일 수 있다. HSD(40)는 처리되는 물질에 대해 유의적 전단을 생성하기 위해 고도의 선단 속도와 매우 작은 전단 갭을 조합한다. 전단의 양은 유체의 점도에 의존할 것이다. 따라서, 고전단 장치를 가동하는 동안 회전자의 선단에는 국소적으로 압력과 온도가 상승된 영역이 발생된다. 경우에 따라서, 국소적으로 상승된 압력은 약 1034.2MPa(150,000psi)이다. 몇몇 경우에, 국소적으로 상승된 온도는 약 500℃이다. 몇몇 경우에, 이러한 압력과 온도의 상승은 나노초 또는 피코초 동안 지속될 수 있다.The tip speed is a circumferential distance in which the tip of the rotor moves per unit time. Thus, the tip speed is a function of the rotor diameter and rotation period. The tip speed (e.g., in m / min) is the distance on the circumference that is transferred by the tip of the rotor, 2πR, where R is the radius of the rotor (e.g., m) and the rotation period (e.g., For example, the colloid mill may have a tip speed of greater than 22.9 m / s (4,500 ft / min) and may exceed 40 m / s (7,900 ft / min) For the purposes of the present invention, the term "high-shear" refers to a device having a capability of a tip velocity exceeding 5.1 m / s (1,000 ft / min) Refers to a mechanical rotor-stator arrangement (e.g., a colloid mill or rotor-stator distributor) that requires a mechanically driven power unit. For example, in the HSD 40, Min, and may exceed 40 m / s (7,900 ft / min). In some embodiments, the HSD 40 may have a < RTI ID = 0.0 & H at a tip speed of greater than or equal to 22.9 m / s (4,500 ft / min). The power consumption may be about 1.5 kW The HSD 40 may be used to generate significant shear The amount of shear will depend on the viscosity of the fluid, so during operation of the high-shear device, there is locally an area of increased pressure and temperature at the tip of the rotor In some cases, the locally elevated temperature is about 500 DEG C. In some cases, such a rise in pressure and temperature may result in nanoseconds (< RTI ID = 0.0 > Or picoseconds.

유체에 인가되는 에너지의 대략적 양(단위: kW/L/분)은 회전자 에너지(kW)와 유체 유출량(L/분)을 측정함으로써 추정할 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 선단 속도는 반응물에 인가되는 기계적 힘을 발생시키는 하나 이상의 회전 부재의 단부와 관련된 속도(ft/분 또는 m/s)이다. 본 발명의 실시예에서, HSD(40)의 에너지 소비량은 1,000W/㎥보다 크다. 본 발명의 실시예에서, HSD(40)의 에너지 소비량은 약 3,000W/㎥ 내지 약 7,500W/㎥ 범위이다.The approximate amount of energy applied to the fluid (unit: kW / L / min) can be estimated by measuring the rotor energy (kW) and fluid flow rate (L / min). As mentioned earlier, the tip velocity is the velocity (ft / min or m / s) associated with the end of one or more of the rotating members which generates a mechanical force applied to the reactants. In an embodiment of the present invention, the energy consumption of the HSD 40 is greater than 1,000 W / m < 3 >. In an embodiment of the invention, the energy consumption of the HSD 40 ranges from about 3,000 W / m 3 to about 7,500 W / m 3.

전단 속도는 선단 속도를 전단 갭 폭(회전자와 고정자 사이의 최소 간극(clearance))으로 나눈 값이다. HSD(40)에서 발생된 전단 속도는 20,000s-1보다 클 수 있다. 몇몇 실시예에서, 전단 속도는 40,000s-1 이상이다. 몇몇 실시예에서, 전단 속도는 100,000s-1 이상이다. 몇몇 실시예에서, 전단 속도는 500,000s-1 이상이다. 몇몇 실시예에서, 전단 속도는 1,000,000s-1 이상이다. 몇몇 실시예에서, 전단 속도는 1,600,000s-1 이상이다. 본 발명의 실시예에서, HSD(40)에서 발생된 전단 속도는 20,000s-1 내지 100,000s-1 범위이다. 예를 들면, 한 응용에서, 회전자 선단 속도는 약 40m/s(7,900ft/분)이고 전단 갭 폭은 0.0254mm(0.001인치)로서, 1,600,000s-1의 전단 속도를 생성한다. 또 다른 응용에서, 회전자 선단 속도는 약 22.9m/s(4,500ft/분)이고 전단 갭 폭은 0.0254mm(0.001인치)로서, 901,600s-1의 전단 속도를 생성한다. The shear rate is the tip speed divided by the shear gap width (the minimum clearance between the rotor and the stator). The shear rate generated in the HSD 40 may be greater than 20,000 s -1 . In some embodiments, the shear rate is greater than 40,000 s < -1 & gt ;. In some embodiments, the shear rate is greater than 100,000 s < -1 & gt ;. In some embodiments, the shear rate is greater than 500,000 s < -1 & gt ;. In some embodiments, the shear rate is greater than 1,000,000 s < -1 & gt ;. In some embodiments, the shear rate is greater than or equal to 1,600,000 s -1 . In an embodiment of the present invention, the shear rate generated in the HSD 40 ranges from 20,000 s -1 to 100,000 s -1 . For example, in one application, the rotor tip velocity is about 40 m / s (7,900 ft / min) and the shear gap width is 0.0254 mm (0.001 inch), producing a shear rate of 1,600,000 s -1 . In another application, the rotor tip velocity is about 22.9 m / s (4,500 ft / min) and the shear gap width is 0.0254 mm (0.001 inch), producing a shear rate of 901,600 s -1 .

HSD(40)는 액체 촉매의 적어도 일부가 산화되는 조건에서는 일반적으로 혼화되지 않는, 탄소질 유체를 포함하는 주된 액상(연속상) 내로 수소를 고도로 분산 또는 수송할 수 있다. 몇몇 실시예에서, HSD(40)는 콜로이드 밀을 포함한다. 적합한 콜로이드 밀의 예로는, 미국 노스캐롤라이나주 윌밍턴 소재 IKA® Works, Inc. 및 매사츄세츠주 윌밍턴 소재 APV North America, Inc.의 제조품을 들 수 있다. 몇몇 경우에, HSD(40)는 IKA® Works, Inc.의 Dispax Reactor®를 포함한다.The HSD 40 can highly disperse or transport hydrogen into a predominant liquid phase (continuous phase) comprising a carbonaceous fluid, which is generally not miscible under conditions where at least a portion of the liquid catalyst is oxidized. In some embodiments, the HSD 40 includes a colloid mill. Examples of suitable colloid mills include IKA® Works, Inc., Wilmington, NC, USA. And manufactured by APV North America, Inc., Wilmington, Mass. In some cases, the HSD (40) comprises a Dispax Reactor ® of IKA® Works, Inc..

고전단 장치는 반응물에 인가되는 기계적 힘을 발생하는 하나 이상의 회전 부재를 포함한다. 고전단 장치는 간극에 의해 분리된 하나 이상의 고정자 및 하나 이상의 회전자를 포함한다. 예를 들면, 회전자는 원추형 또는 디스크 형상을 가질 수 있고, 보완적 형상의 고정자로부터 분리되어 있을 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 회전자와 고정자 모두는 복수 개의 원주 상 이격된 톱니(teeth)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 고정자(들)는 각각의 발생기(회전자/고정자 세트)의 회전자와 고정자 사이에 원하는 전단 갭을 얻도록 조절될 수 있다. 회전자 및/또는 고정자의 톱니들 사이의 홈이 난류를 증가시키기 위해 교대하는 단계에서 방향을 교대시킬 수 있다. 각각의 발생기는 필요한 회전을 제공하도록 구성된 임의의 적합한 구동 시스템에 의해 구동될 수 있다.The high shear device includes one or more rotating members that generate a mechanical force applied to the reactants. The high shear device comprises at least one stator and at least one rotor separated by a gap. For example, the rotor may have a conical or disk shape, and may be separate from the complementary shaped stator. In an embodiment of the present invention, both the rotor and the stator include a plurality of circumferentially spaced teeth. In some embodiments, the stator (s) can be adjusted to obtain a desired shear gap between the rotor and the stator of each generator (rotor / stator set). The grooves between the teeth of the rotor and / or the stator may alternate in the direction of alternating steps to increase the turbulence. Each generator may be driven by any suitable drive system configured to provide the required rotation.

몇몇 실시예에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간극(전단 갭 폭)은 약 0.0254mm(0.001인치) 내지 약 3.175mm(0.125인치) 범위이다. 특정한 실시예에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간극(전단 갭 폭)은 약 1.52mm(0.060인치)이다. 특정한 실시예에서, 고정자와 회전자 사이의 최소 간극(전단 갭 폭)은 1.78mm(0.07인치) 이상이다. 고전단 장치에 의해 생성된 전단 속도는 유동 경로를 따른 길이 방향 위치에 의해 변동될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 회전자는 회전자의 직경과 목표로 하는 선단 속도에 상응하는 속도로 회전하도록 설정된다. 몇몇 실시예에서, 고전단 장치는 고정자와 회전자 사이에 고정된 간극(전단 갭 폭)을 가진다. 대안적으로, 고전단 장치는 조절가능한 간극(전단 갭 폭)을 가진다.In some embodiments, the minimum clearance (shear gap width) between the stator and the rotor ranges from about 0.001 inch to about 0.125 inch. In a particular embodiment, the minimum clearance (shear gap width) between the stator and the rotor is about 0.060 inches. In a particular embodiment, the minimum clearance (shear gap width) between the stator and the rotor is at least 0.07 inches (1.78 mm). The shear rate generated by the high shear device can be varied by the longitudinal position along the flow path. In some embodiments, the rotor is set to rotate at a speed corresponding to the diameter of the rotor and the target leading speed. In some embodiments, the high shear device has a fixed gap (shear gap width) between the stator and the rotor. Alternatively, the high shear device has an adjustable gap (shear gap width).

몇몇 실시예에서, HSD(40)는 단일 스테이지 분산 쳄버(즉, 단일 회전자/고정자 조합, 단일 발생기)를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 고전단 장치(40)는 다중 스테이지 인라인 분산기로서, 복수 개의 발생기를 포함한다. 특정한 실시예에서, HSD(40)는 2개 이상의 발생기를 포함한다. 다른 실시예에서, 고전단 장치(40)는 3개 이상의 고전단 발생기를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 고전단 장치(40)는 이하에서 더 설명하는 바와 같은, 유동 경로를 따른 길이 방향 위치에 의해 전단 속도(앞에서 언급한 바와 같이, 선단 속도에 비례하여 변동되고 회전자/고정자 갭 폭에 반비례하여 변동됨)를 변동시키는 멀티스테이지 믹서이다.In some embodiments, the HSD 40 includes a single stage dispersion chamber (i.e., a single rotor / stator combination, a single generator). In some embodiments, high-stage apparatus 40 is a multi-stage in-line distributor, comprising a plurality of generators. In a particular embodiment, HSD 40 includes two or more generators. In another embodiment, high-stage apparatus 40 includes three or more high-stage generators. In some embodiments, the high-shear device 40 is configured to have a shear rate (as previously mentioned, which is varied in proportion to the tip speed, and which has a rotor / stator gap < Which is inversely proportional to the width of the input signal.

몇몇 실시예에서, 외부의 고전단 장치의 각 스테이지는 융통성을 제공하는 상호교환형 혼합 기구(mixing tool)를 가진다. 예를 들면, 노스캐롤라이나주 윌밍턴 소재 IKA® Works, Inc. 및 매사츄세츠주 윌밍턴 소재 APV North America, Inc.의 DR 2000/4 Dispax Reactor®는 3 스테이지 분산 모듈을 포함한다. 이 모듈은 3개까지의 회전자/고정자 조합(발생기)를 포함할 수 있고, 각 스테이지에 있어서 미세형, 중간형, 조대형(coarse) 및 초미세형을 선택할 수 있다. 이로써, 목표로 하는 기포 크기(예컨대, 수소 기포)의 좁은 분포를 가진 분산물을 생성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 스테이지는 초미세 발생기로 가동된다. 몇몇 실시예에서, 발생기 세트 중 적어도 하나는 약 5.08mm(0.20인치)보다 큰 회전자/고정자 최소 간극(전단 갭 폭)을 가진다. 또 다른 실시예에서, 발생기 세트 중 적어도 하나는 약 1.78mm(0.07인치)보다 큰 회전자/고정자 최소 간극을 가진다.In some embodiments, each stage of the outer high-shear device has a interchangeable mixing tool that provides flexibility. For example, IKA® Works, Inc., Wilmington, North Carolina. And DR 2000/4 Dispax Reactor ® from APV North America, Inc., Wilmington, Mass., Include a three stage dispersion module. The module can include up to three rotor / stator combinations (generators), with fine, medium, coarse, and ultra-fine configurations available for each stage. This makes it possible to produce a dispersion having a narrow distribution of the target bubble size (for example, hydrogen bubbles). In some embodiments, each stage is run with an ultrafine generator. In some embodiments, at least one of the generator sets has a rotor / stator minimum clearance (shear gap width) greater than about 5.08 mm (0.20 inches). In another embodiment, at least one of the generator sets has a rotor / stator minimum clearance greater than about 0.07 inches.

도 2를 참조하면, 적합한 고전단 장치(200)의 길이 방향 단면도가 도시되어 있다. 도 2의 고전단 장치(200)는 3 스테이지 또는 회전자-고정자 조합을 포함하는 분산 장치이다. 고전단 장치(200)는 3 스테이지, 즉 회전자-고정자 조합(220, 230, 240)을 포함하는 분산 장치이다. 회전자-고정자 조합은 발생기(220, 230, 240) 또는 무제한 스테이지로 알려질 수 있다. 3개의 회전자/고정자 세트 또는 발생기(220, 230, 240)는 구동 샤프트(250)를 따라 직렬로 정렬되어 있다.2, a longitudinal cross-sectional view of a suitable high-shear device 200 is shown. The high shear device 200 of Figure 2 is a dispersing device comprising a three stage or rotor-stator combination. The high-stage apparatus 200 is a dispersing apparatus comprising three stages, i.e., a rotor-stator combination 220, 230, The rotor-stator combination may be known as generator 220, 230, 240 or an unlimited stage. The three rotor / stator sets or generators 220, 230, 240 are aligned in series along the drive shaft 250.

제1 발생기(220)는 회전자(222) 및 고정자(227)를 포함한다. 제2 발생기(230)는 회전자(223) 및 고정자(228)를 포함한다. 제3 발생기(240)는 회전자(224) 및 고정자(229)를 포함한다. 각각의 발생기에 있어서, 회전자는 유입물(250)에 의해 회전방식으로 구동되어 화살표(265)로 표시된 바와 같이 축(260)을 중심으로 회전한다. 회전 방향은 화살표(265)로 표시된 것과는 반대 방향일 수 있다(즉, 회전 축(160)을 중심으로 시계 방향 또는 반시계 방향). 고정자(227, 228, 229)는 고전단 장치(200)의 벽(255)에 고착되어 있다.The first generator 220 includes a rotor 222 and a stator 227. The second generator 230 includes a rotor 223 and a stator 228. The third generator 240 includes a rotor 224 and a stator 229. For each generator, the rotor is rotationally driven by the influent 250 and rotates about an axis 260, as indicated by arrow 265. The rotation direction may be opposite to that indicated by arrow 265 (i.e., clockwise or counterclockwise about rotation axis 160). The stator 227, 228, 229 is secured to the wall 255 of the high-shear device 200.

이상 설명한 바와 같이, 각각의 발생기는 회전자와 고정자 사이에 최소 간격인 전단 갭 폭을 가진다. 도 3의 실시예에서, 제1 발생기(220)는 제1 전단 갭(225)을 포함하고; 제2 발생기(230)는 제2 전단 갭(235)을 포함하고; 제3 발생기(240)는 제3 전단 갭(245)을 포함한다. 본 발명의 실시예에서, 전단 갭(225, 235, 245)은 약 0.025mm 내지 약 10.0mm 범위의 폭을 가진다. 대안적으로, 본 발명의 방법은 갭(225, 235, 245)이 약 0.5mm 내지 약 2.5mm 범위의 폭을 가진 고전단 장치(200)를 활용한다. 경우에 따라서는, 전단 갭은 약 1.5mm로 유지된다. 대안적으로, 전단 갭(225, 235, 245)의 폭은 발생기(220, 230, 240)에 따라 상이하다. 경우에 따라서는, 제1 발생기(220)의 전단 갭(225)의 폭은 제2 발생기(230)의 전단 갭(235)의 폭보다 크고, 제2 발생기(230)의 전단 갭(235)의 폭은 제3 발생기(240)의 전단 갭(245)의 폭보다 크다. 앞에서 설명한 바와 같이, 각 스테이지의 발생기들은 상호교환 가능하여 융통성을 제공할 수 있다. 고전단 장치(200)는 전단 속도가 유동(260)의 방향을 따라 단계적으로 길이 방향으로 증가되도록 구성될 수 있다.As described above, each generator has a shear gap width that is the minimum distance between the rotor and the stator. In the embodiment of FIG. 3, the first generator 220 includes a first shear gap 225; The second generator 230 includes a second front end gap 235; The third generator 240 includes a third front end gap 245. In an embodiment of the present invention, the shear gaps 225, 235, 245 have a width in the range of about 0.025 mm to about 10.0 mm. Alternatively, the method of the present invention utilizes high-shear device 200 with gaps 225, 235, 245 having widths ranging from about 0.5 mm to about 2.5 mm. In some cases, the shear gap is maintained at about 1.5 mm. Alternatively, the widths of the shear gaps 225, 235, and 245 are different depending on the generators 220, 230, and 240. The width of the front end gap 225 of the first generator 220 is greater than the width of the front end gap 235 of the second generator 230 and the width of the front end gap 235 of the second generator 230 Width of the third generator 240 is greater than the width of the front end gap 245 of the third generator 240. As described above, the generators of each stage can be interchangeable to provide flexibility. The high shear device 200 may be configured such that the shear rate increases stepwise along the direction of the flow 260 in the longitudinal direction.

발생기(220, 230, 240)는 조대형, 중간형, 미세형, 및 초미세형 분산물을 생성할 수 있다. 회전자(222, 223, 224)와 고정자(227, 228, 229)는 톱니형으로 설계될 수 있다. 각각의 발생기는 2 세트 이상의 회전자-고정자 톱니를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 회전자(222, 223, 224)는 각각의 회전자 주위에 원주를 따라 이격된 10개보다 많은 회전자 톱니를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 고정자(227, 228, 229)는 각각의 고정자 주위에 원주를 따라 이격된 10개보다 많은 고정자 톱니를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 회전자의 내경은 약 12cm이다. 본 발명의 실시예에서, 회전자의 직경은 약 6cm이다. 본 발명의 실시예에서, 고정자의 외경은 약 15cm이다. 본 발명의 실시예에서, 고정자의 작경은 약 6.4cm이다. 몇몇 실시예에서, 간극이 약 4mm일 때 회전자의 직경은 60mm이고, 고정자의 직경은 64mm이다. 특정한 실시예에서, 상기 3 스테이지는 각각 약 0.025mm 내지 약 4mm의 전단 갭을 포함하는 초미세형 발생기로 가동된다. Generators 220, 230, and 240 may produce coarse, intermediate, fine, and ultra fine dispersions. The rotors 222, 223, 224 and the stators 227, 228, 229 can be designed to be serrated. Each generator may include two or more sets of rotor-stator teeth. In an embodiment of the present invention, the rotors 222, 223, and 224 may include more than ten rotor teeth spaced along the circumference around each rotor. In an embodiment of the present invention, the stator 227, 228, 229 may include more than ten stator teeth spaced along the circumference around each stator. In an embodiment of the present invention, the inner diameter of the rotor is about 12 cm. In an embodiment of the present invention, the diameter of the rotor is about 6 cm. In an embodiment of the present invention, the outer diameter of the stator is about 15 cm. In an embodiment of the present invention, the size of the stator is about 6.4 cm. In some embodiments, the diameter of the rotor is 60 mm when the clearance is about 4 mm, and the diameter of the stator is 64 mm. In a particular embodiment, the three stages operate with a micro-generator comprising a shear gap of about 0.025 mm to about 4 mm each.

고전단 장치(200)는 라인(13)으로부터 반응물 스트림을 입구(205)에서 수납하도록 되어 있다. 반응 혼합물은 분산가능한 상으로서 산화성 가스와 연속상으로서 환원된 촉매를 포함하는 액체를 포함한다. 입구(205)로 유입되는 공급물 스트림은 발생기(220, 230, 240)를 통해 연속적으로 펌핑되어 생성물 분산물이 형성된다. 생성물 분산물은 출구(210)(및 도 1의 라인(18))를 통해 고전단 장치(200)로부터 배출된다. 발생기 각각의 회전자(222, 223, 224)는 고정된 고정자(227, 228, 229)에 대해 고속으로 회전하여 고전단 속도를 생성한다. 회전자의 회전에 의해 입구(205)로 유입되는 공급물 스트림과 같은 유체가 전단 갭을 통해(또한, 존재할 경우, 회전자 톱니들 사이의 공간 및 고정자 톱니들 사이의 공간을 통해) 외측으로 펌핑되어, 국소적 고전단 조건을 생성한다. 유체가 통과하여 흐르는 전단 갭(225, 235, 245)(및 존재할 경우, 회전자 톱니와 고정자 톱니 사이의 갭) 내의 유체에 인가되는 높은 전단력이 유체를 처리하여 생성물 분산물을 생성한다. 생성물 분산물은 고전단 출구(210)(및 도 1의 라인(18))를 통해 고전단 장치(200)로부터 배출된다.The high shear device 200 is adapted to receive the reactant stream from the line 13 at the inlet 205. The reaction mixture comprises a liquid comprising a catalyst reduced as a continuous phase with an oxidizing gas as a dispersible phase. The feed stream entering the inlet 205 is continuously pumped through the generators 220, 230, 240 to form a product dispersion. The product dispersion is discharged from high-shear apparatus 200 through outlet 210 (and line 18 in FIG. 1). Each of the rotors 222, 223 and 224 of the generator rotates at a high speed relative to the fixed stators 227, 228 and 229 to generate a high shear rate. By rotation of the rotor, a fluid, such as a feed stream entering the inlet 205, is pumped out through the shear gap (and also through the space between the rotor teeth and the stator teeth, if present) Thereby creating a local high-end condition. A high shear force applied to the fluid in the shear gaps 225, 235, 245 (and, if present, the gap between the rotor teeth and the stator teeth) through which the fluid flows flows the fluid to produce a product dispersion. The product dispersion is discharged from the high shear device 200 through the high shear outlet 210 (and line 18 in FIG. 1).

생성물 분산물은 약 5㎛ 미만의 평균 기포 크기를 가진다. 본 발명의 실시예에서, HSD(40)는 약 1.5㎛ 미만의 평균 기포 크기를 가진 분산물을 생성한다. 본 발명의 실시예에서, HSD(40)는 약 1㎛ 미만의 평균 기포 크기를 가진 분산물을 생성하고, 바람직하게는 상기 기포의 직경은 서브마이크론이다. 특정한 경우에, 평균 기포 크기는 약 0.1㎛ 내지 약 1.0㎛이다. 다른 실시예에서, HSD(40)는 400nm 미만의 평균 기포 크기를 가진 분산물을 생성한다. 다른 실시예에서, HSD(40)는 100nm 미만의 평균 기포 크기를 가진 분산물을 생성한다. 고전단 장치(200)는 대기압에서 약 15분 이상 분산된 상태로 유지할 수 있는 기포를 포함하는 분산물을 생성한다.The product dispersion has an average cell size of less than about 5 [mu] m. In an embodiment of the present invention, the HSD 40 produces a dispersion having an average cell size of less than about 1.5 [mu] m. In an embodiment of the present invention, the HSD 40 produces a dispersion having an average bubble size of less than about 1 [mu] m, preferably the diameter of the bubble is submicron. In certain cases, the average cell size is from about 0.1 [mu] m to about 1.0 [mu] m. In another embodiment, the HSD 40 produces a dispersion having an average bubble size of less than 400 nm. In another embodiment, the HSD 40 produces a dispersion having an average cell size of less than 100 nm. The high shear device 200 produces a dispersion comprising bubbles that can remain dispersed at atmospheric pressure for at least about 15 minutes.

고전단 장치(200)에 의해 생성된 생성물 분산물 중의 산화성 가스의 기포는 반응물의 접촉을 증강시킴으로써 촉매의 산화 작용을 촉진 및/또는 가속화한다. 회전자는 회전자의 직경에 상응하는 속도 및 앞에 기재된 바와 같은 원하는 선단 속도로 회전하도록 설정될 수 있다.The bubbles of the oxidizing gas in the product dispersion produced by the high shear apparatus 200 promote and / or accelerate the oxidation of the catalyst by enhancing the contact of the reactants. The rotor may be set to rotate at a speed corresponding to the diameter of the rotor and at a desired tip speed as described previously.

특정한 경우에, 고전단 장치(200)는 노스캐롤라이나주 윌밍턴 소재 IKA® Works, Inc. 및 매사츄세츠주 윌밍턴 소재 APV North America, Inc.의 Dispax Reactor®를 포함한다. 다양한 입구/출구 연결부, 마력, 선단 속도, 유출 rpm, 및 유량을 가진 몇 가지 모델을 이용할 수 있다. 고전단 장치의 선택은 요구되는 처리량 및 고전단 장치(200)의 출구(210)에서 유출되는 라인(18)(도 1) 내의 분산물 중 목표 입자 크기 또는 기포 크기에 의존할 것이다. 예를 들면, IKA® 모델 DR 2000/4는 벨트 드라이브, 4M 발생기, PTFE 밀봉 링, 입구 플랜지 25.4mm(1인치)의 위생 클램프, 출구 플랜지 19mm(3/4인치)의 위생 클램프, 2HP 동력, 7900rpm의 유출 속도, 약 300∼700L/h(발생기에 따라)의 유동 용량(물), 9.4∼41m/s(1,850ft/분 내지 8,070ft/분)의 선단 속도를 포함한다.In certain instances, the high shear device 200 may be manufactured by IKA® Works, Inc., Wilmington, North Carolina. And Dispax Reactor ( R) from APV North America, Inc., Wilmington, Mass. Several models with various inlet / outlet connections, horsepower, tip speed, outlet rpm, and flow rate are available. The selection of the high shear device will depend on the required throughput and the target particle size or bubble size in the dispersion within the line 18 (FIG. 1) exiting the outlet 210 of the high shear device 200. For example, the IKA® model DR 2000/4 includes a belt drive, a 4M generator, a PTFE seal ring, a sanitary clamp with an inlet flange of 25.4 mm (1 inch), a sanitary clamp with a 19 mm (3/4 inch) outlet flange, Flow rate of 7900 rpm, flow capacity (water) of about 300-700 L / h (depending on generator), and tip speed of 9.4-41 m / s (1850 ft / min to 8,070 ft / min).

용기. 용기 또는 산화기(10)는 황 생성물의 슬러리가 분리될 수 있고 그 내부에서 균질한 촉매의 산화가 전개될 수 있는 임의 형태의 용기이다. 예를 들면, 연속형 또는 준연속형 교반 탱크 반응기, 또는 하나 이상의 배치(batch) 반응기를 직렬 또는 병렬로 사용할 수 있다. 몇몇 응용에서, 용기(10)는 산화기이다. 산화제는 송풍기(90) 및 라인(15)을 통해 선택적인 2차 공기 공급원으로부터 용기910) 내로 도입될 수 있다. 산화제는 황 슬러리가 침강되는 용기의 바닥 부분 상부의 용기(10)의 단면에 연결될 수 있는 스파저를 통해 도입될 수 있다. 황 슬러리는 용기(10)의 원뿔형 저부로부터 제거될 수 있다. 용기(10)로의 임의 개수의 유입 라인을 구상할 수 있고, 도 1에는 3개가 도시되어 있다(라인(14, 15, 52)). 유입 라인(14)은 황 침강기(60)에 연결되어 생성물 황 슬러리로부터 분리된 액체 촉매 용액을 용기(10)로 반송하도록 설계된 유입 라인일 수 있다. 유입 라인(15)은 송풍기(90)를 통해 선택적 2차 공기를 제공하는 데 활용될 수 있다. 라인(52)은 라인(51)에서의 펌프(50)의 출구를 용기(10)에 연결시킬 수 있다. 용기(10)는 배기 가스용 배출 라인(17) 및 용액 중 황의 슬러리를 포함하는 생성물 스트림용 유출 생성물 라인(16)을 포함할 수 있다. 실시예에서, 용기(10)는 복수 개의 반응기 생성물 라인(16)을 포함한다. 라인(21)은 펌프(5) 및 라인(12)을 통해 용기/산화기(10)를 변환기(30)에 연결시킬 수 있다. Courage . The vessel or oxidizer 10 is any type of vessel in which the slurry of sulfur product can be separated and within which the oxidation of the homogeneous catalyst can be deployed. For example, continuous or semi-continuous stirred tank reactors, or one or more batch reactors may be used in series or in parallel. In some applications, the vessel 10 is an oxidizer. The oxidant may be introduced into the vessel 910 from an optional secondary air source through the blower 90 and line 15. [ The oxidizing agent can be introduced through a sparger which can be connected to the cross-section of the vessel 10 above the bottom portion of the vessel in which the sulfur slurry is settled. The sulfur slurry can be removed from the conical bottom of the vessel (10). Any number of inflow lines into the vessel 10 can be conceived, and three are shown in Fig. 1 (lines 14, 15, 52). The inlet line 14 may be an inlet line connected to the sulfur settler 60 and designed to transport the liquid catalyst solution separated from the product sulfur slurry to the vessel 10. The inflow line 15 may be utilized to provide selective secondary air through the blower 90. The line 52 may connect the outlet of the pump 50 in line 51 to the vessel 10. The vessel 10 may comprise an outlet line 17 for the exhaust gas and an outlet product line 16 for the product stream comprising a slurry of sulfur in solution. In an embodiment, the vessel 10 comprises a plurality of reactor product lines 16. The line 21 may connect the vessel / oxidizer 10 to the transducer 30 via the pump 5 and line 12.

균질한 촉매의 산화 반응은 적합한 시간, 온도 및 압력 조건이 존재할 때면 언제든 일어날 것이다. 이러한 점에서, 촉매 산화는 온도와 압력 조건이 적합할 경우에 도 1의 흐름도의 임의 시점에서 일어날 수 있다. 액체 촉매의 사용으로 인해, 환원된 촉매의 실질적 산화 반응은 도 1에 도시된 산화기/용기(10)의 외부 지점에서 일어날 수 있다. 그럼에도 불구하고, 체류 시간, 교반 및 가열 및/또는 냉각이 증가될 수 있도록 하기 위해 분리된 반응기/용기(10)가 종종 바람직하다. 실시예에서, 촉매의 실질적 산화/재생은 HSD(40)(또는 직렬 또는 병렬로 조합된 고전단 장치(40)) 내부에서 일어날 것으로 생각된다. 그러한 경우에, 용기(10)는 라인(16)을 통해 황을 처리하기 위해 황의 슬러리가 제고될 수 있고, 라인(21)을 통해 재생된(산화된) 액체 촉매가 재사용을 위해 변환기(30)로 반송되는 세퍼레이터로서 주로 사용될 수 있다. 그러한 실시예에서, 선택적 2차 공기 공급원 라인(15), 공기 송풍기(90), 및 필터/소음기(85)는 시스템으로부터 생략될 수 있고, 또는 라인(22)을 통해 하나 이상의 HSD(40)로 공기만을 공급하는 데 사용될 수 있다.The oxidation reaction of the homogeneous catalyst will occur whenever there is a suitable time, temperature and pressure condition. In this regard, catalytic oxidation can occur at any point in the flow chart of FIG. 1 when temperature and pressure conditions are appropriate. Due to the use of a liquid catalyst, the substantial oxidation reaction of the reduced catalyst can occur at an external point of the oxidizer / vessel 10 shown in FIG. Nonetheless, a separate reactor / vessel 10 is often desirable so that residence time, agitation, and heating and / or cooling can be increased. In an embodiment, the substantial oxidation / regeneration of the catalyst is believed to occur within the HSD 40 (or in the high-shear device 40 in series or in combination). In such a case, the vessel 10 can be provided with a slurry of sulfur to treat the sulfur through line 16 and a liquid catalyst regenerated (oxidized) through line 21 can be fed to the converter 30 for re- As a separator. In such an embodiment, optional secondary air source line 15, air blower 90, and filter / silencer 85 may be omitted from the system or may be connected via line 22 to one or more HSDs 40 It can be used to supply only air.

용기(10)는 다음과 같은 구성 요소를 하나 이상 포함할 수 있다: 반응 용기 설계 기술 분야에 공지되어 있는, 가열 및/또는 냉각 설비, 압력 측정 기기, 온도 측정 기기, 하나 이상의 주입점, 및 레벨 조절기(도시되지 않음). 가열 및/또는 냉각 장치는 예를 들면 열교환기를 포함할 수 있다. 대안적으로, 몇몇 실시예에서는 HSD(40) 내에서 많은 변환 반응이 일어날 수 있으므로, 경우에 따라서 용기(10)는 주로 저장 용기로서 사용될 수 있다. 일반적으로 바람직하다고 할 수는 없지만, 몇몇 응용에서, 특히 이하에서 더 설명하는 바와 같이 여러 개의 고전단 장치/반응기가 사용될 경우에, 용기(10)는 생략될 수 있다.The vessel 10 may include one or more of the following components: a heating and / or cooling facility, a pressure measuring device, a temperature measuring device, at least one inlet, and a level Regulator (not shown). The heating and / or cooling device may comprise, for example, a heat exchanger. Alternatively, in some embodiments, many conversion reactions may occur in the HSD 40, so that the container 10 may be used primarily as a storage container, as the case may be. Although not generally desirable, in some applications, especially when several high shear devices / reactors are used as described further below, the vessel 10 may be omitted.

또 다른 실시예에서, 변환기 액체 생성물 스트림은 HSD(40)의 상류의 세퍼레이터 내로 도입된다. 이 구성에서, 황은 라인(13)에 있는 변환기 생성물로부터 제거되어, 환원된 액체 촉매를 포함하는 액체 촉매 스트림이 얻어질 수 있다. 황원된 액체 촉매는 변환기(30)에서 재사용할 액체 촉매를 재생하기 위해 산화제와 함께 HSD(40) 내로 도입될 수 있다. 그러한 실시예에서, 촉매의 재생 공정의 대부분은 HSD(40) 내부 또는 일련의 고전단 장치(40)에서 일어날 수 있고, 황의 분리는 고전단 장치(들)의 상류에서 실행되었기 때문에, 용기(10)는 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)에 존재하지 않을 수 있다.In another embodiment, the transducer liquid product stream is introduced into the separator upstream of the HSD 40. In this configuration, the sulfur may be removed from the converter product in line 13 to obtain a liquid catalyst stream comprising the reduced liquid catalyst. The sulfurized liquid catalyst may be introduced into the HSD 40 together with the oxidizing agent to regenerate the liquid catalyst to be reused in the converter 30. In such an embodiment, most of the regeneration process of the catalyst can take place in the HSD 40 or in a series of high shear devices 40 and since the separation of the sulfur has been carried out upstream of the high shear device (s) May not be present in the high shear gas sweetening system 1.

열전달 장치. 전술한 용기(10)의 가열/냉각 능력 이외에도, 도 1에 도시된 실시예의 변형으로서 공정 스트림을 가열 또는 냉각하기 위한 다른 외부적 또는 내부적 열전달 장치를 생각할 수 있다. 예를 들면, 필요할 경우에, 열은 당업자에게 공지된 임의의 방법을 통해 용기(10)에 가해지거나 용기(10)로부터 제거될 수 있다. 외부적 가열 및/또는 냉각 열전달 장치를 이용하는 것도 생각할 수 있다. 하나 이상의 그러한 열전달 장치용으로 적합한 몇 가지 위치는, 펌프(5)와 변환기(30) 사이, HSD(40)와 용기(10) 사이, 및 용기(10)와 펌프(5) 사이이다. 그러한 열전달 장치의 비제한적 예로는, 해당 기술 분야에 공지되어 있는 셸형, 튜브형, 플레이트형, 및 코일형 열교환기를 들 수 있다. Heat transfer device. In addition to the heating / cooling capability of the vessel 10 described above, other external or internal heat transfer devices for heating or cooling the process stream may be envisaged as a variation of the embodiment shown in FIG. For example, if necessary, the heat may be applied to or removed from the vessel 10 via any method known to those skilled in the art. It is also conceivable to use an external heating and / or cooling heat transfer device. Some suitable locations for one or more such heat transfer devices are between the pump 5 and the transducer 30, between the HSD 40 and the vessel 10, and between the vessel 10 and the pump 5. Non-limiting examples of such heat transfer devices include shell, tube, plate, and coil heat exchangers known in the art.

펌프. 펌프(5)는 연속식 또는 준연속식 가동에 적합하게 되어 있고, HSD(40)과 시스템(1)을 통해 유동을 제어할 수 있도록 202.65kPa(2기압) 초과의 압력, 바람직하게는 303.975kPa(3기압) 초과의 압력을 제공할 수 있는 임의의 적합한 펌핑 장치일 수 있다. 예를 들면, Roper Pump Company(Commerce Georgia)사의 Roper Type 1 기어 펌프, Dayton Electric Co(Niles, IL)의 Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E가 적합한 펌프이다. 바람직하게는, 펌프의 접촉 부분은 전부 316 스테인레스강과 같은 스테인레스강으로 되어 있다. 상기 시스템의 몇몇 실시예에서, 펌프(5)는 2026.5kPa(20기압) 초과의 압력을 제공할 수 있다. 펌프(5) 이외에도, 도 1에 도시된 시스템에는 하나 이상의 추가적 고압 펌프(도시되지 않음)를 포함시킬 수 있다. 예를 들면, 용기(10) 내의 압력을 상승시키기 위해 펌프(5)와 유사할 수도 있는 부스터 펌프를 HSD(40)와 용기(10) 사이에 포함시킬 수 있다. 또 다른 실시예로서, 부가적 반응물 또는 촉매를 용기(10) 내로 도입하기 위해 펌프(5)와 유사할 수도 있는 보조 공급 펌프가 포함될 수 있다. 또 다른 실시예로서, 용기(10)로부터 HSD(40)로 가스를 재순환시키기 위해 라인(17)과 HSD(40) 사이에 압축기형 펌프를 설치할 수 있다. 침강기 펌프(50)는 용기(10)로부터 황 슬러리를 추출하기에 적합한 임의의 펌프일 수 있다. Pump. The pump 5 is adapted for continuous or semi-continuous operation and has a pressure greater than 202.65 kPa (2 atmospheres), preferably greater than 303.975 kPa Lt; RTI ID = 0.0 > (3 atmospheres). ≪ / RTI > For example, Roper Type 1 gear pumps from Roper Pump Company (Commerce Georgia), Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E from Dayton Electric Co. (Niles, IL) are suitable pumps. Preferably, the contact portions of the pump are all made of stainless steel, such as 316 stainless steel. In some embodiments of the system, the pump 5 may provide a pressure greater than 2026.5 kPa (20 atm). In addition to the pump 5, the system shown in Figure 1 may include one or more additional high-pressure pumps (not shown). For example, a booster pump, which may be similar to the pump 5, may be included between the HSD 40 and the vessel 10 to raise the pressure in the vessel 10. As another example, an auxiliary feed pump, which may be similar to the pump 5, for introducing an additional reactant or catalyst into the vessel 10 may be included. As another example, a compressor pump may be installed between the line 17 and the HSD 40 to recycle the gas from the vessel 10 to the HSD 40. The settler pump 50 may be any pump suitable for extracting sulfur slurry from the vessel 10.

고전단 탈황 공정. 도 3은 고전단 가스 스위트닝 방법에서의 단계를 나타내는 박스형 공정도이다. 블록(400)에서, H2S는 액상 촉매의 환원과 동시에 원소 상태의 황으로 변환된다. 블록(500)에서, 철 촉매와 산화제(예를 들면, O2, 공기, 농축된 공기)의 고전단 혼합에 의해 액체 산화환원 촉매를 포함하는 액체 중 산화제의 분산물이 생성된다. 블록(600)에서, 용기(10) 내, HSD(40) 내부, 또는 라인(18), 선택적인 벤처 스파저(45) 및/또는 라인(19) 내에서 철 촉매의 산화가 강하게 일어난다. 블록(700)에서, 재생된(산화된) 촉매 용액이 라인(21), 펌프(5) 및 라인(12)을 통해 H2S 변환기(30)로 반송된다. 블록(800)에는, 원소 상태의 황이 회수되고, 회수된 촉매 용액이 황 회수 유닛으로부터(예를 들면, 황 침강기(60)로부터) 산화기(10)로 재순환되는 것이 표시되어 있다. High - grade desulfurization process. 3 is a box-like process diagram showing the steps in the high-shear gas sweetening process. At block 400, H 2 S is converted to elemental sulfur simultaneously with the reduction of the liquid phase catalyst. At block 500, a high-shear blend of an iron catalyst and an oxidant (e.g., O 2 , air, enriched air) produces a dispersion of oxidant in the liquid comprising a liquid redox catalyst. At block 600, oxidation of the iron catalyst takes place strongly in the vessel 10, within the HSD 40, or in line 18, optional venturi sparger 45 and / or line 19. At block 700, the regenerated (oxidized) catalyst solution is returned to the H 2 S converter 30 via line 21, pump 5 and line 12. Block 800 indicates that the elemental sulfur is recovered and the recovered catalyst solution is recycled from the sulfur recovery unit (e.g., from the sulfur settler 60) to the oxidizer 10.

도 1을 참조하여 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)의 가동에 대해 설명하기로 한다. 실시예에서, 탈황 반응은 촉매 반응제로서 킬레이트화 철을 사용하여 수상에서 수행된다. 산성 가스 스트림의 탈황 조작에서, 산성 가스 스트림은 라인(25)을 통해 시스템(1) 내로 도입된다. 라인(23)을 통해 넉아웃 포트(24)에 도입된 산성 가스 공급 스트림으로부터 입자상 물질을 제거하기 위해 넉아웃 포트(24)를 이용할 수 있다. 변환기(30) 내부에서는, 예를 들면 라인(12)을 통해 변환기(30) 내로 향류 방식으로 도입될 수도 있는 산화된 액체 촉매 용액과 산성 가스가 접촉된다. The operation of the high shear gas sweetening system 1 will be described with reference to Fig. In an embodiment, the desulfurization reaction is carried out in the aqueous phase using chelated iron as the catalyst. In the desulfurization operation of the acid gas stream, the acid gas stream is introduced into the system 1 via line 25. A knockout port 24 may be used to remove particulate matter from the acid gas feed stream introduced into the knock-out port 24 through line 23. Inside the transducer 30, an acidic gas is contacted with an oxidized liquid catalytic solution, which may be introduced in a countercurrent manner, for example, via line 12 into the transducer 30.

상기 시스템은 전형적으로, 촉매 용액으로의 H2S의 양호한 흡수를 보장하기 위해 약 알칼리성 pH 범위에서 가동되며, 알칼리성 물질의 주입과 모니터링은 고전단 가스 스위트닝 시스템(1) 내 임의의 적합한 곳에서 일어날 수 있다. 예를 들면, 알칼리는 변환기(30)에 첨가될 수 있다. 스타트업 시, 액체 촉매는 촉매 스트림으로서 용기(10)에 직접 도입될 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 촉매는 시스템(1) 내 다른 임의의 위치에 첨가될 수 있다. 예를 들면, 신선한 촉매 용액을 라인(21)(도시되지 않음) 또는 변환기(30) 내로 주입할 수 있다. 실시예에서, 라인(21)은 액체 촉매를 포함하고, 그중 적어도 일부는 예를 들면 라인(21)을 통해 변환기(30)에 연결될 수 있는 용기(10)로부터의 재순환 스트림일 수 있다.The system is typically operated in a weakly alkaline pH range to ensure good absorption of H 2 S into the catalyst solution and the injection and monitoring of the alkaline material can be carried out at any suitable location in the high stage gas sweetening system 1 Can happen. For example, an alkali may be added to the converter 30. At start-up, the liquid catalyst can be introduced directly into the vessel 10 as a catalyst stream. Alternatively, or additionally, the catalyst may be added at any other position in the system 1. [ For example, fresh catalyst solution can be injected into line 21 (not shown) or converter 30. In an embodiment, line 21 may comprise a liquid catalyst, at least some of which may be a recycle stream from vessel 10 that may be connected, for example, via line 21 to converter 30.

전체적 공정 반응은 다음과 같다:The overall process response is as follows:

H2S(g) + 1/2O2(g) ↔ H2O + S° (1)H 2 S (g) + 1 / 2O 2 (g) ↔ H 2 O + S ° (1)

라인(25) 내의 산성 가스 스트림은 임의의 황화수소 또는 황 함유 가스 스트림일 수 있고, 예를 들면, 라인(25) 내의 산성 가스 스트림은 공기, 천연 가스, 이산화탄소, 아민산 가스, 매립지 가스, 합성 가스, 지열 가스, 바이오가스, 정제소 가스 또는 이것들의 조합을 포함할 수 있다. 라인(23) 내의 산성 가스 스트림은 당업자에게 공지된 바와 같이 전처리될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서, 라인(23) 내의 산성 가스 스트림은 넉아웃 포트(24)를 통과한다. 넉아웃 포트(24)로부터 나온 라인(25) 내의 황화수소 함유 가스 스트림은 변환기(30)로 이송된다. 변환기(30)에서, H2S는 원소 상태의 황으로 변환된다. 라인(35) 내의 처리된(즉, 스위트닝된) 가스 스트림은 추가 처리/활용(도시되지 않음)을 위해 이송된다. 실시예에서, 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 산성 가스로부터 황화수소를 99% 초과량으로 제거할 수 있다. 실시예에서, 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 산성 가스로부터 황화수소를 99.9% 초과량으로 제거할 수 있다. The acidic gas stream in line 25 may be any hydrogen sulphide or sulfur containing gas stream and the acidic gas stream in line 25 may be an air, natural gas, carbon dioxide, amine acid gas, landfill gas, syngas , Geothermal gas, biogas, refinery gas, or a combination thereof. The acid gas stream in line 23 may be pretreated as is known to those skilled in the art. For example, in FIG. 1, the acidic gas stream in line 23 passes through the knockout port 24. The hydrogen sulfide-containing gas stream in line 25 from knock-out port 24 is transferred to converter 30. In the converter 30, H 2 S is converted to elemental sulfur. The processed (i.e., sweetened) gas stream in line 35 is transferred for further processing / utilization (not shown). In an embodiment, the high shear gas sweetening system 1 can remove more than 99% of hydrogen sulphide from the acid gas. In an embodiment, the high shear gas sweetening system 1 may remove 99.9% excess hydrogen sulphide from the acid gas.

변환기(30) 내에서, 액체 촉매는 몇 가지 화학 반응을 통해 H2S를 원소 상태의 황으로 변환시킨다. 변환기의 설계는 산성 가스 유량 및 압력뿐 아니라 요구되는 H2S 제거 효율에 의해 결정된다. 철 촉매의 경우에, 변환기(3) 내의 흡수 공정은 다음과 같은 반응식으로 설명될 수 있다.Within the converter 30, the liquid catalyst converts H 2 S into elemental sulfur through several chemical reactions. The design of the converter is determined by the required H 2 S removal efficiency as well as the acid gas flow rate and pressure. In the case of an iron catalyst, the absorption process in the transducer 3 can be explained by the following reaction formula.

H2S의 흡수는 하기와 같이 설명될 수 있다:The absorption of H 2 S can be described as follows:

H2S(g) + H2O(l) ↔ H2S(l) + H2O. (2)H 2 S (g) + H 2 O (1) ↔ H 2 S (1) + H 2 O. (2)

H2S의 이온화는 하기 반응으로 설명된다:The ionization of H 2 S is illustrated by the following reaction:

H2S(l) ↔ H+ + HS-. (3)H 2 S (l) ↔ H + + HS - . (3)

제2철 이온(Fe3 +)에 의한 산화는 다음과 같이 표현될 수 있다:Oxidation by ferric ion (Fe 3 + ) can be expressed as:

HS- + 2Fe3 + → S°(s) + 2Fe2 + + H+. (4)HS - + 2Fe 3 + - S (s) + 2Fe 2 + + H + . (4)

따라서, 전체적 흡수 반응은 다음과 같다:Thus, the overall absorption response is:

H2S(g) + 2Fe3 + → 2H+ + S° + 2Fe2 +. (5)H 2 S (g) + 2Fe 3 + → 2H + + S ° + 2Fe 2 + . (5)

황 및 환원된 액체 촉매 용액을 포함하는 액체 스트림은 변환기 유출 라인(13)을 통해 변환기(30)로부터 배출된다. 라인(22)을 통해 분산가능한 산화제 가스가 고전단 가스 스위트닝 시스템(1) 내로 주입되고, 이것은 라인(13)으로, 또는 HSD(40) 내로 직접 도입되는 산화제 가스일 수 있다. 산화제 가스는 공기 또는 농축된 공기일 수 있다. 실시예에서, 산화제 가스는 액체 반응물 스트림(즉, 라인(13)을 통해 변환기(30)로부터 배출되는 황 함유 액체 촉매 스트림)과 혼합되지 않고 HSD(40) 내로 직접 공급된다. 재생되는 액체 촉매를 라인(21) 및 용기(10)로부터 변환기(30) 내로 이송하고, 압력을 증대시켜 고전단 장치(HSD)(40) 및 고전단 가스 스위트닝 시스템(1) 전체에 걸쳐 흐름을 제어하기 위해 펌프(5)를 가동할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 펌프(5)는 HSD 유입 스트림의 압력을 202.65kPa(2기압)보다 높은 압력, 바람직하게는 약 303.975kPa(3기압)보다 높은 압력으로 증가시킨다. 이러한 방식으로, 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 고전단과 압력을 결합하여 반응물의 양호한 혼합을 증강시킬 수 있다.A liquid stream comprising sulfur and a reduced liquid catalyst solution is discharged from the transducer 30 through the transducer outlet line 13. Dispersible oxidant gas through line 22 is injected into the high stage gas sweetening system 1 which may be an oxidant gas introduced into the line 13 or directly into the HSD 40. The oxidant gas may be air or concentrated air. In an embodiment, the oxidant gas is fed directly into the HSD 40 without mixing with the liquid reactant stream (i.e., the sulfur-containing liquid catalyst stream exiting the converter 30 through line 13). The regenerated liquid catalyst is transferred from the line 21 and the vessel 10 into the transducer 30 and the pressure is increased to flow through the high shear unit (HSD) 40 and the high shear gas sweetening system 1 The pump 5 can be operated to control the pump 5. In some embodiments, the pump 5 increases the pressure of the HSD inlet stream to a pressure higher than 202.65 kPa (2 atmospheres), preferably higher than about 303.975 kPa (3 atmospheres). In this way, the high shear gas sweetening system 1 can combine high shear and pressure to enhance good mixing of the reactants.

실시예에서, 액체 촉매 용액 및, 존재할 경우, 알칼리를 용기(10)에서 우선 혼합한다. 반응물은, 예를 들면, 유입 라인(14, 15, 52)을 통해 용기(10)에 유입된다. 용기 유입 스트림의 수는 임의의 갯수일 수 있으며, 도 1에는 3개로 나타나 있다(라인(14, 15, 52)을 통해). In an embodiment, the liquid catalyst solution and, if present, the alkali are first mixed in the vessel 10. The reactants flow into the vessel 10 through, for example, inlet lines 14, 15, 52. The number of vessel inflow streams may be any number and is shown in Figure 1 as three (via lines 14, 15, 52).

산화제와 촉매 액체는 촉매 액체 중에 산화제 가스의 미세 분산물을 생성하는 HSD(40) 내에서 양호하게 혼합된다. HSD(40)에서, 산화제 가스와 촉매 액체는 고도로 분산되어, 용액 내로 양호하게 용해되고 반응물 혼합이 증강되도록 반응 가스의 나노기포, 서브마이크론 크기의 기포, 및/또는 마이크로 기포가 형성된다. 예를 들면, 3개의 회전자가 고정자와 직렬로 배열되어 조합을 이룬 고전단, 3 스테이지 분산 장치인 분산기 IKA® 모델 DR 2000/4를 사용하여 황을 포함하는 액체 촉매 매질(즉, "반응제") 중에 분산가능한 산화제 가스의 분산물을 생성할 수 있다. 회전자/고정자 세트는, 예를 들면, 도 2에 예시된 바와 같이 구성될 수 있다. 혼합된 반응제는 라인(13)을 통해 고전단 장치에 유입되고, 제1 스테이지 회전자/고정자 조합에 유입된다. 제1 스테이지의 회전자와 고정자는 각각 원주 상에 간격을 두고 배치된 제1 스테이지 회전자 톱니 및 고정자 톱니를 가질 수 있다. 제1 스테이지로부터 배출되는 조대형 분산물은 제2 회전자/고정자 스테이지에 유입된다. 제2 스테이지의 회전자와 고정자도 각각 원주 상에 간격을 두고 배치된 제1 스테이지 회전자 톱니 및 고정자 톱니를 포함할 수 있다. 제2 스테이지로부터 발생되는 환원된 기포 크기 분산물은, 각각 회전자 톱니 및 고정자 톱니를 가진 회전자와 고정자를 포함할 수 있는 제3 스테이지 회전자/고정자 조합에 유입된다. 분산물은 라인(19)을 통해 고전단 장치로부터 배출된다. 몇몇 실시예에서, 전단 속도는 유동 방향(260)을 따라 길이 방향으로 단계적으로 증가된다. 예를 들면, 몇몇 실시예에서, 제1 회전자/고정자 스테이지에서의 전단 속도는 후속 단계(들)에서의 전단 속도보다 크다. 다른 실시예에서, 전단 속도는 유동 방향을 따라 실질적으로 일정하여, 각 스테이지에서의 전단 속도는 실질적으로 동일하다.The oxidant and the catalyst liquid are mixed well in the HSD 40, which produces a fine dispersion of oxidant gas in the catalyst liquid. In the HSD 40, the oxidant gas and the catalyst liquid are highly dispersed to form nanobubbles, submicron sized bubbles, and / or microbubbles of the reaction gas so that they are well dissolved into the solution and the reactant mixture is enhanced. For example, three rotor and stator are arranged in series, the liquid catalyst medium with a high shear, three stage IKA ® balancer, the balancer model DR 2000/4 achieved the combination contains sulfur (i.e., the "reactant"≪ / RTI > can be produced. The rotor / stator set may be configured, for example, as illustrated in Fig. The mixed reactant enters the high shear device through line 13 and enters the first stage rotor / stator combination. The rotor and stator of the first stage may each have first stage rotor teeth and stator teeth spaced circumferentially on the circumference. The coarse dispersion exiting the first stage enters the second rotor / stator stage. The rotor and stator of the second stage may also include first stage rotor teeth and stator teeth spaced circumferentially on the circumference, respectively. The reduced bubble size dispersion generated from the second stage is introduced into a third stage rotor / stator combination, which may include stator and rotor with respective rotor teeth and stator teeth. The dispersion is discharged from the high shear device via line (19). In some embodiments, the shear rate is increased stepwise along the flow direction 260 in the longitudinal direction. For example, in some embodiments, the shear rate at the first rotor / stator stage is greater than the shear rate at the subsequent stage (s). In another embodiment, the shear rates are substantially constant along the flow direction, and the shear rates at each stage are substantially the same.

고전단 장치(40)가 PTFE 밀봉부(seal)를 포함할 경우, 상기 밀봉부는 해당 기술 분야에 공지된 적합한 기술을 이용하여 냉각될 수 있다. 예를 들면, 라인(13)에서 흐르는 반응물 스트림 또는 라인(21) 내의 재생된 액체 촉매를 이용하여 밀봉부를 냉각할 수 있고, 그렇게 함으로써 각각 고전단 장치(40) 또는 변환기(30)에 유입되기 전에 원하는 만큼 예열된다.If the high shear device 40 comprises a PTFE seal, the seal may be cooled using any suitable technique known in the art. For example, the reactants stream in line 13 or the regenerated liquid catalyst in line 21 can be used to cool the seals so that they can be cooled before entering the high shear device 40 or converter 30, respectively, Preheated as desired.

응용예에서, HSD(40)의 회전자(들)은 회전자의 직경 및 얻고자 하는 선단 속도에 상응하는 속도로 회전하도록 설정된다. 앞에서 설명한 바와 같이, 고전단 장치(예컨대, 콜로이드 밀 또는 톱니형 림 분산기(rim disperser))는 고정자와 회전자 사이에 고정된 틈새를 갖거나 조절가능한 틈새를 가진다. HSD(40)는 산화제 가스 및 황 생성물을 포함하는 액체 촉매 용액을 양호하게 혼합시킨다. 상기 방법의 몇몇 실시예에서, 반응물의 수송 저항은 반응 속도를 약 5% 넘게 증가되도록 고전단 장치를 가동함으로써 감소된다. 상기 방법의 몇몇 실시예에서, 반응물의 수송 저항은 반응 속도를 약 5배 넘게 증가되도록 고전단 장치를 가동함으로써 감소된다. 몇몇 실시예에서, 반응 속도는 10배 이상 더 증가된다. 몇몇 실시예에서, 반응 속도는 약 10배 내지 약 100배 범위 만큼 증가된다.In an application, the rotor (s) of the HSD 40 is set to rotate at a speed corresponding to the diameter of the rotor and the tip speed to be obtained. As discussed above, high shear devices (e.g., colloid mills or rim dispersers) have a clearance or adjustable clearance between the stator and the rotor. The HSD 40 preferably mixes a liquid catalyst solution comprising an oxidant gas and a sulfur product. In some embodiments of the method, the transport resistance of the reactants is reduced by operating the high shear device to increase the reaction rate by greater than about 5%. In some embodiments of the method, the transport resistance of the reactants is reduced by operating the high shear device to increase the reaction rate by more than about five-fold. In some embodiments, the reaction rate is increased by a factor of 10 or more. In some embodiments, the rate of the reaction is increased by a range of about 10-fold to about 100-fold.

몇몇 실시예에서, HSD(40)는 4500ft/분의 선단 속도에서 300L/h 이상을 전달하고, 상기 속도는 7900ft/분(40m/s)을 초과할 수 있다. 전력 소모는 약 1.5kW일 수 있다. HSD(40)에서의 회전 전단 유닛 또는 회전 부재의 선단에서 순간적 온도와 압력의 측정은 어렵지만, 양호하게 혼합된 반응물에 의해 나타나는 국소화 온도는 500℃를 초과하고, 압력은 공동화 조건 하에서 500kg/㎠을 초과하는 것으로 추산된다. 고전단 혼합은 산화제 가스를 마이크론 또는 서브마이크론 크기의 기포로 분산시킨다. 몇몇 실시예에서, 얻어지는 분산물은 약 5㎛ 미만, 또는 약 1.5㎛ 미만의 평균 기포 크기를 가진다. 몇몇 실시예에서, 얻어지는 분산물은 약 1㎛ 미만의 평균 기포 크기를 가진다. 따라서, 라인(18)을 통해 HSD(40)에서 유출되는 분산물은 마이크론 및/또는 서브마이크론 크기의 기포를 포함한다. 몇몇 실시예에서, 상기 평균 기포 크기는 약 0.4㎛ 내지 약 1.5㎛ 범위이다. 몇몇 실시예에서, 평균 기포 크기는 약 400nm 미만이고, 경우에 따라서는 약 100nm일 수 있다. 많은 실시예에서, 마이크로버블(microbubble) 분산물은 대기압에서 15분 이상 동안 분산된 상태로 유지될 수 있다.In some embodiments, the HSD 40 delivers more than 300 L / h at a top speed of 4500 ft / min, and the speed can exceed 7900 ft / min (40 m / s). The power consumption can be about 1.5kW. It is difficult to measure the instantaneous temperature and pressure at the tip of the rotating shear unit or the rotating member in the HSD 40, but the localization temperature exhibited by the well-mixed reactants exceeds 500 DEG C and the pressure is 500 kg / Is estimated to be exceeded. High shear mixing causes the oxidizer gas to be dispersed into bubbles of micron or submicron size. In some embodiments, the resulting dispersion has an average cell size of less than about 5 占 퐉, or less than about 1.5 占 퐉. In some embodiments, the resulting dispersion has an average bubble size of less than about 1 [mu] m. Thus, the dispersion flowing out of HSD 40 through line 18 comprises micron and / or submicron sized bubbles. In some embodiments, the average bubble size ranges from about 0.4 [mu] m to about 1.5 [mu] m. In some embodiments, the average bubble size is less than about 400 nm, and in some cases can be about 100 nm. In many embodiments, the microbubble dispersion can be maintained in a dispersed state for at least 15 minutes at atmospheric pressure.

분산되고 나면, 얻어지는 분산물은 용기(10)와 유체로 연결되는 라인(18)을 통해 HSD(40)로부터 배출된다. 선택적으로, 분산물은 필요할 경우, 용기(10)에 유입되기 전에 추가로 처리될 수 있다. 예를 들면, 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 HSD(40)와 용기(10) 사이에 설치되는 벤처 스파저(45)를 추가로 포함할 수 있다. 유출 라인(19)은 벤처 스파저(45)를 용기(10)와 연결시킬 수 있다. 벤처 스파저(45)가 처리량을 제한하게 되는 경우에, 스파저는 사용되지 않을 수 있다. 산화기 유입 라인(19)은 촉매 용액의 산화(재생)가 추가로 이루어질 수 있는 산화기(10)에 유체로 연결된다. HSD(40)가 기존의 벤처 스파저를 포함하는 가스 스위트닝 시스템에 결합되는 경우, 벤처 스파저(45)는 벤저 스파저의 처리량 한계에 따라서 유지되거나 배제될 수 있다.Once dispersed, the resulting dispersion is discharged from the HSD 40 via line 18 which is in fluid communication with the vessel 10. Optionally, the dispersion can be further treated, if necessary, before entering the vessel 10. For example, the high shear gas sweetening system 1 may further include a venturi sparger 45 installed between the HSD 40 and the vessel 10. The outflow line 19 may connect the venturi sparger 45 with the vessel 10. If the venture sparger 45 is to limit the throughput, the sparger may not be used. The oxidizer inlet line 19 is fluidly connected to the oxidizer 10, which can be further oxidized (regenerated) of the catalyst solution. If the HSD 40 is coupled to a gas switching system that includes an existing venture sparger, the venture sparger 45 may be maintained or excluded in accordance with the throughput limitations of the ventilator sparger.

변환기(30)로부터 배출되는 환원된 액체 촉매는 산화에 의해 재생된다. 촉매의 산화는 HSD(40) 내부에서 일어나며, 용기(10) 내부에 체류하는 동안 계속될 수 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 용기(10)는 산화기일 수 있다. 철 킬레이트 촉매의 경우에, 산화 반응(HSD(40), 라인(18), 벤처 스파저(45), 라인(19), 용기(10), 또는 이것들의 조합 내에서 일어날 수 있는 산화 반응)은 다음과 같은 화학 반응으로 설명될 수 있다:The reduced liquid catalyst discharged from the converter 30 is regenerated by oxidation. Oxidation of the catalyst takes place inside the HSD 40 and can continue during its stay in the vessel 10. As mentioned above, the vessel 10 may be an oxidizer. In the case of iron chelate catalysts, the oxidation reactions (oxidation reactions that can occur in the HSD 40, line 18, venturi sparger 45, line 19, vessel 10, or combination thereof) It can be explained by the following chemical reaction:

O2의 흡수는 다음과 같이 표현된다:The absorption of O 2 is expressed as:

1/2O2(g) + H2O(l) ↔ 1/2O2(l) + H2O. (6)1 / 2O 2 (g) + H 2 O (1) ↔ 1 / 2O 2 (1) + H 2 O. (6)

제1철 이온(Fe2 +)의 재생은 하기 반응을 따른다:Regeneration of ferrous ions (Fe < 2 + & gt ; ) follows the following reaction:

1/2O2(l) + H2O + 2Fe2 + → 2OH- + 2Fe3 +. (7)1 / 2O 2 (l) + H 2 O + 2Fe 2 + - > 2OH - + 2Fe 3 + . (7)

따라서, 전체적 재생 반응은 다음과 같다:Thus, the overall regeneration reaction is as follows:

1/2O2(g) + H2O + 2Fe2 + → 2OH- + 2Fe3 +. (8)1 / 2O 2 (g) + H 2 O + 2Fe 2 + - > 2OH - + 2Fe 3 + . (8)

반응물이 용기(10)에 유입되기 전에 양호하게 혼합되는 결과로서, 화학 반응의 유의적 부분이 HSD(40)에서 일어날 수 있다. 따라서, 몇몇 실시예에서, 반응기/용기(10)는 액체 촉매 용액으로부터 생성물인 황을 분리하는 데 주로 사용될 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 용기(10)는 산화환원 촉매의 재생/산화의 대부분이 일어나는 주된 반응 용기로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 실시예에서, 용기(10)는 산화기이다. HSD(40)가 산화기를 포함하는 기존의 가스 스위트닝 공정 내에 결합되어 있는 실시예에서, 용기(10)는 산화기일 수 있다. 신규 설비에 있어서, 용기(10)는 황 생성물이 제거되는 저장/분리 용기로서 주로 사용될 수 있다.As a result of the good mixing of the reactants before entering the vessel 10, a significant portion of the chemical reaction can take place in the HSD 40. Thus, in some embodiments, the reactor / vessel 10 can be used primarily to separate the product sulfur from the liquid catalyst solution. Alternatively, or additionally, the vessel 10 can be used as the main reaction vessel in which most of the regeneration / oxidation of the redox catalyst takes place. For example, in an embodiment, the vessel 10 is an oxidizer. In embodiments where the HSD 40 is incorporated in an existing gas-swating process that includes an oxidizer, the vessel 10 may be an oxidizer. In the new installation, the vessel 10 can be used primarily as a storage / separation vessel where the sulfur product is removed.

용기/반응기(10)는 연속적 또는 준연속적 유동 방식으로 가동될 수도 있고, 또는 배치 방식으로 가동될 수도 있다. 용기(10)의 내용물은 가열 및/또는 냉각 장치(예컨대, 냉각 코일) 및 온도 측정 기기를 이용하여 규정된 반응 온도로 유지될 수 있다. 용기 내의 압력은 적합한 압력 측정 기기를 이용하여 모니터될 수 있고, 용기 내 반응물의 레벨은 당업자에게 공지되어 있는 기술을 이용하여 레벨 조절기(도시되지 않음)로 제어될 수 있다.The vessel / reactor 10 may be operated in a continuous or semi-continuous flow mode, or may be operated in a batch mode. The contents of the vessel 10 can be maintained at the prescribed reaction temperature using a heating and / or cooling apparatus (e.g., a cooling coil) and a temperature measuring instrument. The pressure in the vessel can be monitored using a suitable pressure measuring instrument and the level of the reactants in the vessel can be controlled with a level controller (not shown) using techniques known to those skilled in the art.

배기 가스는 라인(17)을 통해 용기(10)로부터 배출되고, 추가로 처리되거나, 배출되거나, 또는 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)으로 재순환될 수 있다. 예를 들면, 라인(17) 내의 배기 가스의 일부는 라인(13) 또는 라인(22)으로 재순환될 수 있다. 용기(10)는 황 슬러리가 침강되어 제거되는 데 도움이 되도록 원뿔 형상의 저부를 가질 수 있다. 황 결정을 포함하는 생성물 황 슬러리는 라인(16)을 통해 용기(10)로부터 배출된다. 생성물 황 슬러리는 침강기 펌프(50) 및 라인(51, 53)을 통해 황 침강기(60)로 이송될 수 있다. 라인(51)의 일부는 라인(52)을 통해 용기/산화기(10) 내로 반송될 수 있다. 황 침강기(60) 내의 황 슬러리는 침강기(60)의 저부(예컨대, 원뿔 형상부) 내에 침강되어, 황 라인(65)과 슬러리 펌프(70)를 통해 콘으로부터 황 분리 유닛(80)으로 펌핑된다. 예를 들면, 황 분리 유닛(80)은 벨트 필터 시스템을 사용하여 60% 황 케익(cake)을 제조할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 몇몇 경우에, 황 분리 유닛(80)은 백 필터(bag filter) 시스템을 포함할 수 있고, 30 중량%의 황 케익을 제조하는 데 사용될 수 있다. 필요할 경우에, 황 필터 케익은 용융 황(molten sulfur)의 제조에 사용될 수 있다. 황 케익으로부터 분리된 재생된 촉매 용액(14)은 산화기(10)로 반송될 수 있다.The exhaust gas may be discharged from the vessel 10 via line 17 and may be further processed or discharged or recycled to the high shear gas sweetening system 1. For example, a portion of the exhaust gas in line 17 may be recycled to line 13 or line 22. The vessel 10 may have a conical bottom to help the sulfur slurry settle down and be removed. The product sulfur slurry containing sulfur crystals is discharged from the vessel 10 via line 16. The product sulfur slurry can be transferred to the sulfur settler 60 through the settler pump 50 and lines 51 and 53. A portion of line 51 may be conveyed through line 52 into vessel / oxidizer 10. The sulfur slurry in the sulfur settler 60 is settled in a bottom portion (e.g., a conical portion) of the settler 60 and passed through the sulfur line 65 and slurry pump 70 to the sulfur separation unit 80 Lt; / RTI > For example, the sulfur separation unit 80 may use a belt filter system to produce a 60% sulfur cake. As another example, in some cases, the sulfur separation unit 80 may include a bag filter system and may be used to produce a sulfur cake of 30 wt%. If necessary, sulfur filter cake can be used for the production of molten sulfur. The regenerated catalyst solution 14 separated from the sulfur cake can be returned to the oxidizer 10.

종래의 촉매 산화 공정에서 사용되는 산소는 산화기(10) 내의 촉매 용액을 통과하여 기포화되는 공기 또는 산소 농후 공기(15)로부터 공급된다. 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)은 송풍기(90) 및 산화제 유입 라인(15)을 통한 산화제의 2차 공급원을 포함할 수 있다. 산화기 라인(15)은 프리필터(85)에서의 예비여과 및 송풍기(90) 및 라인(86)을 통한 프리필터(85)로부터 산화기/용기(10)까지의 펌핑을 통해 얻어질 수 있다. 촉매 용액을 약 알칼리성 pH 범위로 유지하기 위해, 소량의 고전단 가스 스위트닝 시스템(1)에 대한 소량의 가성물(caustic) 첨가(도시되지 않음)를 이용할 수 있다.The oxygen used in the conventional catalytic oxidation process is supplied from the air or oxygen-enriched air 15 which passes through the catalyst solution in the oxidizer 10 and is saturated. The high shear gas sweetening system 1 may comprise a secondary source of oxidant through the blower 90 and oxidant inlet line 15. The oxidizer line 15 can be obtained through prefiltration in the prefilter 85 and pumping from the prefilter 85 through the blower 90 and line 86 to the oxidizer / . A small amount of caustic addition (not shown) to a small amount of high shear gas sweetening system 1 may be used to maintain the catalyst solution in a weakly alkaline pH range.

이러한 액상 산화 공정은 액상 중에 용해되거나 현탁된 산소 캐리어를 이용하는데, 산소 캐리어는 특정한 실시예에서는 주변 온도에서 연속적으로 재생될 수 있다. 앞에서 설명한 다른 시스템과는 대조적으로, 이 변형 시스템은 라인(18)(및 선택적으로 벤처-스파저 라인(19)) 내의 공기/농축 공기 또는 산소의 마이크로기포(및/또는 서브마이크론 크기의 기포)를 생성하기 위한 밀봉된 외부의 고전단 장치(40)를 포함하는데, 마이크로기포는 이어서 산화 유닛(10)에 유입된다. 외부의 고전단 장치(40)는 기존 시스템의 벤처 스파저(45)의 앞쪽에 위치할 수 있으며, 신속한 산화 및 촉매의 높은 변환율을 가능하게 한다.This liquid phase oxidation process utilizes an oxygen carrier dissolved or suspended in the liquid phase, which in certain embodiments can be continuously regenerated at ambient temperature. In contrast to the other systems described above, this modified system is advantageous in that the microbubbles of air / enriched air or oxygen (and / or submicron sized bubbles) in line 18 (and optionally vent- (40) for producing a micro bubble, which is then introduced into the oxidation unit (10). The external high-stage unit 40 can be located in front of the venture sparger 45 of the existing system, enabling rapid oxidation and high conversion rates of the catalyst.

이러한 변형된 시스템의 잠재적 이점으로는, 제한되지는 않지만, 상대적으로 빠른 사이클 시간, 증가된 처리량, 상대적으로 작은 용기(들)의 설계 및/또는 상대적으로 낮은 온도 및/또는 압력에서의 용기(들)의 가동 가능성에 따른 감소된 가동비 및/또는 감소된 투자비가 포함된다.Potential advantages of such a modified system include, but are not limited to, relatively fast cycle times, increased throughput, the design of relatively small vessel (s), and / or vessels at relatively low temperatures and / ≪ / RTI > and / or a reduced investment cost due to the possibility of operation of the system.

실시예에서, 본 발명의 방법은 외부의 고전단 혼합의 부재 하에서의 탈황에 비해 보다 효과적으로 황을 제거할 수 있다.In an embodiment, the method of the present invention can remove sulfur more effectively than desulfurization in the absence of external high-shear mixing.

몇몇 실시예에서, 시스템(1)의 가동 조건은 약 100℃ 내지 약 230℃ 범위의 온도를 포함한다. 실시예에서, 상기 온도는 약 160℃ 내지 약 180℃ 범위이다. 특정한 실시예에서, 특히 용기(10) 내의 반응 온도는 약 155℃ 내지 약 160℃ 범위이다. 몇몇 실시예에서, 용기(10) 내의 반응 압력은 약 202.65kPa(2기압) 내지 약 5.6∼6.1MPa(55∼60기압) 범위이다. 몇몇 실시예에서, 반응 압력은 약 810.6kPa 내지 약 1.5MPa(약 8기압 내지 약 15기압) 범위이다. 실시예에서, 용기(10)는 대기압 또는 대기압 근방에서 가동된다.In some embodiments, the operating conditions of system 1 include temperatures in the range of about 100 캜 to about 230 캜. In embodiments, the temperature ranges from about 160 ° C to about 180 ° C. In a particular embodiment, the reaction temperature in the vessel 10 in particular is in the range of about 155 캜 to about 160 캜. In some embodiments, the reaction pressure in the vessel 10 ranges from about 202.65 kPa (2 atmospheres) to about 5.6 to 6.1 MPa (55 to 60 atmospheres). In some embodiments, the reaction pressure ranges from about 810.6 kPa to about 1.5 MPa (about 8 atmospheres to about 15 atmospheres). In an embodiment, the vessel 10 is operated at atmospheric pressure or near atmospheric pressure.

다중 고전단 혼합 장치. 몇몇 실시예에서, HSD(40)와 같거나 상이하게 구성된 2개 이상의 고전단 장치가 직렬로 설치되어 반응을 더욱 증강시키는 데 사용된다. 상기 장치의 가동은 배치식이거나 연속식일 수 있다. 단일 패스 또는 "1회 통과(once through)" 공정이 바람직한 경우에는, 직렬로 설치된 다중 고전단 장치가 유리할 수도 있다. 예를 들면, 실시예에서, 라인(18)으로 유출되는 분산물은 제2 고전단 장치에 공급될 수 있다. 다중 고전단 장치(40)가 작렬로 가동될 때, 각각의 고전단 장치의 유입 공급 스트림 내로 추가의 산화제 가스를 주입할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 다중 고전단 장치(40)는 병렬로 가동되고, 거기에서 유출되는 분산물은 하나 이상의 용기(10)에 도입된다. Multiple high shear mixing devices. In some embodiments, two or more high-stage devices configured equal to or different from the HSD 40 are installed in series and used to further enhance the response. The operation of the device may be batch or continuous. If a single pass or "once through" process is desired, multiple high-stage devices installed in series may be advantageous. For example, in an embodiment, the dispersion flowing out into line 18 may be supplied to the second high shear device. When multiple high-shear units 40 are running in line, additional oxidant gas can be injected into the incoming feedstream of each high-stage unit. In some embodiments, multiple high-shear devices 40 are run in parallel, and the dispersion flowing therefrom is introduced into one or more vessels 10.

특징. HSD(40)에 의한 반응제의 증강된 혼합을 적용함으로써 잠재적으로 액체 촉매의 효율적인 재생이 가능하다. 몇몇 실시예에서, 증강된 혼합은 공정 스트림의 처리량을 잠재적으로 증가시킨다. 몇몇 실시예에서, 고전단 혼합 장치는 기존 공정 내에 결합됨으로써, 생산량의 증가(즉, 더 많은 처리량)를 가능하게 한다. 더 큰 체적의 산화기를 이용하여 재생량을 증가시키고자 시도하는 방법들과는 대조적으로, 외부의 고전단 혼합에 의해 제공되는 보다 양호한 분산과 접촉에 따라, 많은 경우에 탈황 속도를 유지하거나 심지어 증가시키면서 용기(10)의 크기 및/또는 체류 시간의 감소를 가능하게 할 수 있다. 특정 이론에 한정되려는 것은 아니지만, 고전단 혼합의 레벨 또는 정도는 물질 전달 속도를 증가시키기에 충분하고, 또한 깁스(Gibbs) 자유 에너지 예측에 의거하여 이와는 다른 경우에 일어날 것으로 예상되지 않는 반응을 일으킬 수 있는 국소화된 비이상적 조건(non-ideal condition)을 형성할 수 있다고 생각된다. 국소화된 비이상적 조건이 고전단 장치 내에서 형성됨으로써 온도와 압력의 상승이 초래되며, 가장 유의적인 상승은 국소화 압력에서 일어나는 것으로 생각된다. 고전단 장치 내에서의 압력과 온도의 상승은 순간적이고 국소화되며, 일단 고전단 장치를 벗어나면, 벌크(bulk) 또는 평균적 시스템 조건으로 신속히 되돌아간다. 경우에 따라서는, 고전단 혼합 장치는 충분한 강도의 공동화를 유도하여 하나 이상의 반응제를 유리 라디칼로 해리시키고, 이것은 화학 반응을 강화시키거나, 다른 경우에 요구될 수 있는 것보다 완화된 조건에서 일어날 수 있게 할 수 있다. 공동화는 또한 국소적 난류 및 액체의 미세한 순환(음향적 흐름(acoustic streaming))을 생성함으로써 수송 공정(transport process)의 속도를 증가시킬 수 있다. 화학적/물리적 처리 적용에서의 공동화 현상의 응용에 대한 개요는 Gogate 외의 논문, "Cavitation: A technology on the horizon," Current Science 91 ( No .1): 35-46(2006)에 기재되어 있다. 본 발명의 시스템 및 방법의 특정한 실시예의 고전단 혼합 장치는 공동화를 유도함으로써, 산화제와 환원된 액체 촉매가 유리 라디칼로 해리되고, 이것이 반응하여 촉매를 재생시킨다. Characteristic. By applying an enhanced mixing of the reactants with the HSD 40, potentially an efficient regeneration of the liquid catalyst is possible. In some embodiments, the augmented mixing potentially increases the throughput of the process stream. In some embodiments, the high shear mixing device is incorporated into an existing process, thereby enabling an increase in production (i. E., Greater throughput). In contrast to methods of attempting to increase the regeneration rate using a larger volume of oxidizer, the better the dispersion and contact provided by the external high shear mixing, the higher the desulfurization rate in many cases, Thereby enabling reduction of the size and / or residence time of the fluid 10. Without wishing to be bound by any particular theory, it is believed that the level or degree of high-shear mixing is sufficient to increase the mass transfer rate and may also cause a reaction that is not expected to occur in other cases based on Gibbs free energy prediction Which may form a localized non-ideal condition. It is believed that localized non-ideal conditions are formed in high-shear devices, resulting in elevated temperature and pressure, with the most significant elevation occurring at the localized pressure. The rise in pressure and temperature within the high-shear device is instantaneous and localized, and once out of the high-shear device, it quickly returns to bulk or average system conditions. In some cases, the high shear mixing apparatus induces cavitation of sufficient strength to dissociate one or more reactants into free radicals, which can either enhance the chemical reaction or occur under relaxed conditions than would otherwise be required I can do it. Cavitation can also increase the speed of the transport process by creating a localized turbulence and a microcirculation of the liquid (acoustic streaming). An overview of the application of cavitation phenomena in chemical / physical treatment applications can be found in Gogate et al., "Cavitation: A technology on the horizon," Current Science 91 ( No. 1): 35-46 (2006) . The high shear mixing apparatus of certain embodiments of the systems and methods of the present invention induces cavitation, whereby the oxidant and the reduced liquid catalyst dissociate into free radicals, which react and regenerate the catalyst.

몇몇 실시예에서, 본 명세서에 기재된 시스템 및 방법은 외부의 고전단 장치(40)를 사용하지 않는 종래에 가능했던 것보다 소형이고/이거나 자본 집약성이 적은 설계를 가능하게 한다. 개시된 방법의 특정한 실시예의 잠재적 이점은 가동비의 감소 및 기존 공정으로부터의 생산량 증가이다. 개시된 공정의 특정한 실시예는 부가적으로 신규 공정의 설계에 대한 투자비의 감소라는 이점을 제공한다. 실시예에서, 고전단 장치(40)를 사용하여 산화제 가스를 환원된 액체 촉매를 포함하는 액체 중에 분산시킴으로써, 산화되지 않은 액체 촉매의 양이 감소된다. 이러한 가스 스위트닝 시스템 및 방법의 몇몇 실시예가 가지는 잠재적 이점은, 제한되는 것은 아니지만, 보다 빠른 사이클 시간, 증가된 처리량, 상대적으로 작은 산화기(10)를 설계할 수 있는 가능성 또는 산화기를 분리 용기(10)로 대체할 수 있는 가능성 및/또는 상대적으로 낮은 온도 및/또는 압력에서 공정을 가동할 수 있는 가능성에 기인한 감소된 가동비 및/또는 감소된 투자비를 포함한다.In some embodiments, the systems and methods described herein enable designs that are smaller and / or less capital intensive than conventionally possible without the use of an external high-stage device 40. A potential advantage of certain embodiments of the disclosed method is the reduction of the operating ratio and the increase in production from existing processes. A particular embodiment of the disclosed process additionally provides the advantage of a reduced investment cost for the design of the new process. In an embodiment, by using the high shear device 40 to disperse the oxidant gas in the liquid comprising the reduced liquid catalyst, the amount of the unoxidized liquid catalyst is reduced. The potential advantages of some embodiments of such gas switching systems and methods include, but are not limited to, faster cycle times, increased throughput, the possibility of designing a relatively small oxidizer 10, 10) and / or reduced operating costs and / or reduced investment costs due to the possibility of operating the process at relatively low temperatures and / or pressures.

실시예에서, 외부의 고전단 장치(40)를 통한 반응제 혼합 단계를 포함하는 개시된 방법을 이용함으로써, 종래에 가능했던 것보다 적은 산화제를 용기/반응기(10)에서 사용할 수 있다. 실시예에서, 상기 방법은 외부의 고전단 장치(40)를 기존 공정에 결합시키는 단계를 포함하고, 그에 따라 외부의 고전단 장치(40) 내의 가동 온도 및/또는 반응 압력의 감소 및/또는 고전단 장치(40) 없이 가동된 공정에 비해 생산량의 증가(더 큰 처리량)가 가능하다. 실시예에서, 촉매의 산화 중 많은 부분이 외부의 고전단 장치(40)에서 일어나기 때문에, 용기(10)는 주로 액체 촉매로부터 황 슬러리를 분리하는 데 사용된다. 실시예에서, 재생 단계의 산화 반응은 대부분 외부의 고전단 장치(40) 내에서 일어난다.In an embodiment, less oxidizing agent than conventionally possible can be used in the vessel / reactor 10 by using the disclosed method, which includes the reactant mixing step through an external high-stage apparatus 40. In an embodiment, the method includes coupling an external high-stage device 40 to an existing process, thereby reducing the operating temperature and / or reaction pressure in the external high-stage device 40 and / An increase in production (larger throughput) is possible compared to the process operated without the device 40. In an embodiment, the vessel 10 is mainly used to separate the sulfur slurry from the liquid catalyst, since much of the oxidation of the catalyst takes place in the outer high-shear unit 40. In an embodiment, the oxidation reaction in the regeneration step occurs mostly in the outer high-shear device 40.

액상 촉매에 의한 산화 및 산화에 의해 환원 촉매의 재생을 통한 본 발명의 가스 스위트닝 방법 및 시스템은 외부의 고전단 기계적 장치를 이용하여 화학적 성분들을 고전단 장치에서 제어된 환경에서 신속하게 접촉시키고 혼합한다. 고전단 장치는 반응에 대한 물질 전달 한계를 축소시키므로 전체적 반응 속도를 증가시키며, 실질적 반응이 일어나지 않을 것으로 예상되는 범용 가동 조건 하에서 촉매의 실질적 산화가 일어날 수 있게 할 수 있다.The gas switching method and system of the present invention through regeneration of a reduction catalyst by oxidation and oxidation by a liquid catalyst catalyzes the rapid contact and mixing of chemical components in a controlled environment in a high shear device using an external high- do. The high shear device reduces the mass transfer limit for the reaction, thereby increasing the overall reaction rate and allowing substantial oxidation of the catalyst to occur under general operating conditions which are expected to result in no substantial reaction.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하고 설명했지만, 당업자는 본 발명의 사상과 교시를 벗어나지 않고 본 발명을 변형시킬 수 있다. 본 명세서에 기재된 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명을 한정하려는 것이 아니다. 여기에 개시된 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하고, 그러한 변경 및 변형은 본 발명의 범위에 포함된다. 수치적 범위 또는 한계가 명시적으로 언급된 경우에, 그러한 명시적 범위 또는 한계는 명시적으로 언급된 범위 또는 한계 내에 들어가는 동일한 크기에 대한 반복적 범위 또는 한계를 포함하는 것으로 이해해야 한다(예: 약 1 내지 약 10은 2, 3, 4, 등을 포함하고; 0.10보다 크다는 것은 0.11, 0.12, 0.13 등을 포함한다). 청구항의 임의의 요소에 관해 "선택적으로(optionally)"라는 용어를 사용하는 것은 당해 요소가 필요하거나, 그렇지 않으면 필요하지 않다는 것을 의미한다. 두 가지 대안은 모두 청구항의 범위에 포함되는 것으로 의도된다. "포함하다", "가지다" 등과 같은 더 포괄적인 용어의 사용은 "구성되는", "본질적으로 구성되는", "실질적으로 포함하는", 등과 같은 더 좁은 용어를 뒷받침하는 것으로 이해해야 한다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described, those skilled in the art can change the invention without departing from the spirit and teachings of the present invention. The embodiments described herein are illustrative only and are not intended to limit the invention. Various changes and modifications of the invention disclosed herein are possible, and such modifications and variations are included within the scope of the present invention. Where numerical ranges or limits are explicitly recited, such explicit ranges or limits are to be understood as including recurring ranges or limits for the same size falling within the explicitly stated ranges or limits (e.g., about 1 To about 10 include 2, 3, 4, etc.; greater than 0.10 includes 0.11, 0.12, 0.13, etc.). The use of the term "optionally" with respect to any element of the claims means that the element is necessary or otherwise not required. Both alternatives are intended to be included within the scope of the claims. It is to be understood that the use of more broad terms such as " comprises, "" having ", and the like, are intended to support narrower terms such as " consisting of," " consisting essentially of,

따라서, 본 발명의 보호 범위는 이상 제시된 설명에 의해 제한되지 않고, 이하의 청구항에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구항의 대상의 모든 등가물을 포함한다. 각각의 청구항은 모두 본 발명의 실시예로서 명세서 내에 포함되어 있다. 그러므로, 청구항은 추가적 설명이며, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 부가물이다. 본 명세서에 인용된 모든 특허의 개시 내용, 특허 문헌 및 출판 문헌은, 본 명세서에 제시된 내용을 보충하는 예시적, 절차적 또는 기타 상세 사항을 제공하는 범위까지 참고로서 포함된다. Accordingly, the scope of protection of the present invention is not limited by the description given above, but is only limited by the following claims, the scope of which covers all equivalents of the subject matter of the claims. Each claim is included in the specification as an embodiment of the present invention. The claims are therefore further description and are additions to the preferred embodiments of the invention. The disclosures of all patents, patent documents, and publications cited herein are incorporated by reference to the extent they provide exemplary, procedural, or other details supplementary to those set forth herein.

Claims (7)

산성 가스 스트림의 스위트닝(sweetening) 방법으로서,
유기 금속 촉매 및 철 킬레이트 촉매로부터 선택되는 환원된 액체 촉매를 포함하는 액상 중에 분산된, 산소, 공기 및 농축된 공기로부터 선택되는 산화제 가스의 기포를 포함하는 분산물을 고전단 장치에서 형성하는 단계를 포함하고,
상기 기포는 1㎛ 미만의 평균 직경을 가지며,
상기 분산물을 형성하는 단계는, 환원된 액체 촉매의 산화를 위해 산화제 가스와 액체 촉매 상을 고전단 장치에서 접촉시켜 생성된 혼합물을 20,000s-1보다 큰 전단 속도(shear rate)로 처리하는 단계를 포함하고,
상기 고전단 장치는 하나 이상의 회전자-고정자의 조합을 포함하고, 상기 하나 이상의 회전자는 분산물을 형성하는 동안 22.9m/s(4,500ft/분) 이상의 선단 속도(tip speed)로 회전하고,
상기 고전단 장치는 하나 이상의 회전자의 선단에서 1034.2MPa (150,000psi) 이상의 국소적 압력을 생성하는,
산성 가스 스트림의 스위트닝 방법.As a sweetening method of an acid gas stream,
Forming in the high shear device a dispersion comprising bubbles of oxidant gas selected from oxygen, air and enriched air, dispersed in a liquid phase comprising a reduced liquid catalyst selected from an organometallic catalyst and an iron chelate catalyst, Including,
Said bubbles having an average diameter of less than 1 [mu] m,
The step of forming the dispersion comprises the steps of: processing the contacting in for the oxidation of the reduced catalyst liquid shearing of the oxidizing agent gas and the liquid catalyst mixture to produce a large shear rate (shear rate) than 20,000s -1 Lt; / RTI >
Wherein the high-shear device comprises a combination of one or more rotor-stator rotations at a tip speed of at least 4,500 ft / min during formation of the dispersion,
Wherein the high shear device produces a localized pressure at the tip of the at least one rotor of not less than 150,000 psi (1034.2 MPa)
A method of sweetening an acidic gas stream. 제1항에 있어서,
상기 기포가 400nm 미만의 평균 직경을 가지는, 산성 가스 스트림의 스위트닝 방법.The method according to claim 1,
Wherein said bubbles have an average diameter of less than 400 nm. 제1항에 있어서,
상기 산성 가스는, 공기, 천연 가스, 이산화탄소, 아민산(amine acid) 가스, 매립지(landfill) 가스, 바이오가스, 합성 가스, 지열(geothermal) 가스, 정제소(refinery) 가스 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상의 가스를 포함하는, 산성 가스 스트림의 스위트닝 방법.The method according to claim 1,
The acidic gas may be one or more of the group consisting of air, natural gas, carbon dioxide, amine acid gas, landfill gas, biogas, syngas, geothermal gas, refinery gas, ≪ / RTI > wherein the at least one gas comprises at least one gas. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고전단 장치의 에너지 소비량이 1000W/㎥을 초과하는, 산성 가스 스트림의 스위트닝 방법.The method according to claim 1,
Wherein the energy consumption of the high shear device is greater than 1000 W / m < 3 >.
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